31c85172f8a864d77086a152f95b5025e59a691b
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 // 
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 // 
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains the implementation of the scalar evolution analysis
11 // engine, which is used primarily to analyze expressions involving induction
12 // variables in loops.
13 //
14 // There are several aspects to this library.  First is the representation of
15 // scalar expressions, which are represented as subclasses of the SCEV class.
16 // These classes are used to represent certain types of subexpressions that we
17 // can handle.  These classes are reference counted, managed by the SCEVHandle
18 // class.  We only create one SCEV of a particular shape, so pointer-comparisons
19 // for equality are legal.
20 //
21 // One important aspect of the SCEV objects is that they are never cyclic, even
22 // if there is a cycle in the dataflow for an expression (ie, a PHI node).  If
23 // the PHI node is one of the idioms that we can represent (e.g., a polynomial
24 // recurrence) then we represent it directly as a recurrence node, otherwise we
25 // represent it as a SCEVUnknown node.
26 //
27 // In addition to being able to represent expressions of various types, we also
28 // have folders that are used to build the *canonical* representation for a
29 // particular expression.  These folders are capable of using a variety of
30 // rewrite rules to simplify the expressions.
31 // 
32 // Once the folders are defined, we can implement the more interesting
33 // higher-level code, such as the code that recognizes PHI nodes of various
34 // types, computes the execution count of a loop, etc.
35 //
36 // TODO: We should use these routines and value representations to implement
37 // dependence analysis!
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40 //
41 // There are several good references for the techniques used in this analysis.
42 //
43 //  Chains of recurrences -- a method to expedite the evaluation
44 //  of closed-form functions
45 //  Olaf Bachmann, Paul S. Wang, Eugene V. Zima
46 //
47 //  On computational properties of chains of recurrences
48 //  Eugene V. Zima
49 //
50 //  Symbolic Evaluation of Chains of Recurrences for Loop Optimization
51 //  Robert A. van Engelen
52 //
53 //  Efficient Symbolic Analysis for Optimizing Compilers
54 //  Robert A. van Engelen
55 //
56 //  Using the chains of recurrences algebra for data dependence testing and
57 //  induction variable substitution
58 //  MS Thesis, Johnie Birch
59 //
60 //===----------------------------------------------------------------------===//
61
62 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
63 #include "llvm/Constants.h"
64 #include "llvm/DerivedTypes.h"
65 #include "llvm/Instructions.h"
66 #include "llvm/Type.h"
67 #include "llvm/Value.h"
68 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
69 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
70 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
71 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
72 #include "llvm/Support/CFG.h"
73 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
74 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
75 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
76 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
77 #include <cmath>
78 #include <algorithm>
79 using namespace llvm;
80
81 namespace {
82   RegisterAnalysis<ScalarEvolution>
83   R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis");
84
85   Statistic<>
86   NumBruteForceEvaluations("scalar-evolution",
87                            "Number of brute force evaluations needed to calculate high-order polynomial exit values");
88   Statistic<>
89   NumTripCountsComputed("scalar-evolution",
90                         "Number of loops with predictable loop counts");
91   Statistic<>
92   NumTripCountsNotComputed("scalar-evolution",
93                            "Number of loops without predictable loop counts");
94   Statistic<>
95   NumBruteForceTripCountsComputed("scalar-evolution",
96                         "Number of loops with trip counts computed by force");
97
98   cl::opt<unsigned>
99   MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
100                           cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will symbolically execute a constant derived loop"),
101                           cl::init(100));
102 }
103
104 //===----------------------------------------------------------------------===//
105 //                           SCEV class definitions
106 //===----------------------------------------------------------------------===//
107
108 //===----------------------------------------------------------------------===//
109 // Implementation of the SCEV class.
110 //
111 SCEV::~SCEV() {}
112 void SCEV::dump() const {
113   print(std::cerr);
114 }
115
116 /// getValueRange - Return the tightest constant bounds that this value is
117 /// known to have.  This method is only valid on integer SCEV objects.
118 ConstantRange SCEV::getValueRange() const {
119   const Type *Ty = getType();
120   assert(Ty->isInteger() && "Can't get range for a non-integer SCEV!");
121   Ty = Ty->getUnsignedVersion();
122   // Default to a full range if no better information is available.
123   return ConstantRange(getType());
124 }
125
126
127 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
128
129 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
130   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
131   return false;
132 }
133
134 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
135   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
136   return 0;
137 }
138
139 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
140   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
141   return false;
142 }
143
144 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
145   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
146 }
147
148 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
149   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
150 }
151
152
153 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
154 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
155 // never be deleted!
156 static std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> SCEVConstants;
157   
158
159 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
160   SCEVConstants.erase(V);
161 }
162
163 SCEVHandle SCEVConstant::get(ConstantInt *V) {
164   // Make sure that SCEVConstant instances are all unsigned.
165   if (V->getType()->isSigned()) {
166     const Type *NewTy = V->getType()->getUnsignedVersion();
167     V = cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(V, NewTy));
168   }
169   
170   SCEVConstant *&R = SCEVConstants[V];
171   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
172   return R;
173 }
174
175 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
176   return ConstantRange(V);
177 }
178
179 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
180
181 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
182   WriteAsOperand(OS, V, false);
183 }
184
185 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
186 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
187 // never be deleted!
188 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, SCEVTruncateExpr*> SCEVTruncates;
189
190 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
191   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
192   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
193          Ty->isUnsigned() &&
194          "Cannot truncate non-integer value!");
195   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize() &&
196          "This is not a truncating conversion!");
197 }
198
199 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
200   SCEVTruncates.erase(std::make_pair(Op, Ty));
201 }
202
203 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
204   return getOperand()->getValueRange().truncate(getType());
205 }
206
207 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
208   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
209 }
210
211 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
212 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
213 // be deleted!
214 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
215                 SCEVZeroExtendExpr*> SCEVZeroExtends;
216
217 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
218   : SCEV(scTruncate), Op(Op), Ty(ty) {
219   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
220          Ty->isUnsigned() &&
221          "Cannot zero extend non-integer value!");
222   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() < Ty->getPrimitiveSize() &&
223          "This is not an extending conversion!");
224 }
225
226 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
227   SCEVZeroExtends.erase(std::make_pair(Op, Ty));
228 }
229
230 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
231   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getType());
232 }
233
234 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
235   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
236 }
237
238 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
239 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
240 // be deleted!
241 static std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
242                 SCEVCommutativeExpr*> SCEVCommExprs;
243
244 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
245   SCEVCommExprs.erase(std::make_pair(getSCEVType(),
246                                      std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
247                                                         Operands.end())));
248 }
249
250 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
251   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
252   const char *OpStr = getOperationStr();
253   OS << "(" << *Operands[0];
254   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
255     OS << OpStr << *Operands[i];
256   OS << ")";
257 }
258
259 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
260 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
261 // deleted!
262 static std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, SCEVUDivExpr*> SCEVUDivs;
263
264 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
265   SCEVUDivs.erase(std::make_pair(LHS, RHS));
266 }
267
268 void SCEVUDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
269   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
270 }
271
272 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
273   const Type *Ty = LHS->getType();
274   if (Ty->isSigned()) Ty = Ty->getUnsignedVersion();
275   return Ty;
276 }
277
278 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
279 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
280 // be deleted!
281 static std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
282                 SCEVAddRecExpr*> SCEVAddRecExprs;
283
284 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
285   SCEVAddRecExprs.erase(std::make_pair(L,
286                                        std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
287                                                           Operands.end())));
288 }
289
290 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
291   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
292   // contain L.
293   return !QueryLoop->contains(L->getHeader());
294 }
295
296
297 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
298   OS << "{" << *Operands[0];
299   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
300     OS << ",+," << *Operands[i];
301   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
302 }
303
304 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
305 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
306 // deleted!
307 static std::map<Value*, SCEVUnknown*> SCEVUnknowns;
308
309 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns.erase(V); }
310
311 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
312   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
313   // invariant if they are not contained in the specified loop.
314   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
315     return !L->contains(I->getParent());
316   return true;
317 }
318
319 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
320   return V->getType();
321 }
322
323 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
324   WriteAsOperand(OS, V, false);
325 }
326
327 //===----------------------------------------------------------------------===//
328 //                               SCEV Utilities
329 //===----------------------------------------------------------------------===//
330
331 namespace {
332   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
333   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
334   /// expressions.
335   struct SCEVComplexityCompare {
336     bool operator()(SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
337       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
338     }
339   };
340 }
341
342 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
343 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
344 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
345 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
346 ///
347 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
348 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
349 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
350 /// land in memory.
351 ///
352 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
353   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
354   if (Ops.size() == 2) {
355     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
356     // Special case it.
357     if (Ops[0]->getSCEVType() > Ops[1]->getSCEVType())
358       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
359     return;
360   }
361
362   // Do the rough sort by complexity.
363   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
364
365   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
366   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
367   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
368   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
369   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
370     SCEV *S = Ops[i];
371     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
372
373     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
374     // one, group them.
375     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
376       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
377         // Move it to immediately after i'th element.
378         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
379         ++i;   // no need to rescan it.
380         if (i == e-2) return;  // Done!
381       }
382     }
383   }
384 }
385
386
387
388 //===----------------------------------------------------------------------===//
389 //                      Simple SCEV method implementations
390 //===----------------------------------------------------------------------===//
391
392 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
393 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
394 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
395   Constant *C;
396   if (Val == 0) 
397     C = Constant::getNullValue(Ty);
398   else if (Ty->isFloatingPoint())
399     C = ConstantFP::get(Ty, Val);
400   else if (Ty->isSigned())
401     C = ConstantSInt::get(Ty, Val);
402   else {
403     C = ConstantSInt::get(Ty->getSignedVersion(), Val);
404     C = ConstantExpr::getCast(C, Ty);
405   }
406   return SCEVUnknown::get(C);
407 }
408
409 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
410 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
411 /// extended.
412 static SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty) {
413   const Type *SrcTy = V->getType();
414   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
415          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
416   if (SrcTy->getPrimitiveSize() == Ty->getPrimitiveSize())
417     return V;  // No conversion
418   if (SrcTy->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize())
419     return SCEVTruncateExpr::get(V, Ty);
420   return SCEVZeroExtendExpr::get(V, Ty);
421 }
422
423 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
424 ///
425 static SCEVHandle getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
426   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
427     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
428   
429   return SCEVMulExpr::get(V, SCEVUnknown::getIntegerSCEV(-1, V->getType()));
430 }
431
432 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
433 ///
434 static SCEVHandle getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
435   // X - Y --> X + -Y
436   return SCEVAddExpr::get(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
437 }
438
439
440 /// Binomial - Evaluate N!/((N-M)!*M!)  .  Note that N is often large and M is
441 /// often very small, so we try to reduce the number of N! terms we need to
442 /// evaluate by evaluating this as  (N!/(N-M)!)/M!
443 static ConstantInt *Binomial(ConstantInt *N, unsigned M) {
444   uint64_t NVal = N->getRawValue();
445   uint64_t FirstTerm = 1;
446   for (unsigned i = 0; i != M; ++i)
447     FirstTerm *= NVal-i;
448
449   unsigned MFactorial = 1;
450   for (; M; --M)
451     MFactorial *= M;
452
453   Constant *Result = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, FirstTerm/MFactorial);
454   Result = ConstantExpr::getCast(Result, N->getType());
455   assert(isa<ConstantInt>(Result) && "Cast of integer not folded??");
456   return cast<ConstantInt>(Result);
457 }
458
459 /// PartialFact - Compute V!/(V-NumSteps)!
460 static SCEVHandle PartialFact(SCEVHandle V, unsigned NumSteps) {
461   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
462   // counts while computing loop exit values.
463   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
464     uint64_t Val = SC->getValue()->getRawValue();
465     uint64_t Result = 1;
466     for (; NumSteps; --NumSteps)
467       Result *= Val-(NumSteps-1);
468     Constant *Res = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, Result);
469     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(Res, V->getType()));
470   }
471
472   const Type *Ty = V->getType();
473   if (NumSteps == 0)
474     return SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
475   
476   SCEVHandle Result = V;
477   for (unsigned i = 1; i != NumSteps; ++i)
478     Result = SCEVMulExpr::get(Result, getMinusSCEV(V,
479                                           SCEVUnknown::getIntegerSCEV(i, Ty)));
480   return Result;
481 }
482
483
484 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
485 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
486 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
487 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
488 ///
489 ///   A*choose(It, 0) + B*choose(It, 1) + C*choose(It, 2) + D*choose(It, 3)
490 ///
491 /// FIXME/VERIFY: I don't trust that this is correct in the face of overflow.
492 /// Is the binomial equation safe using modular arithmetic??
493 ///
494 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It) const {
495   SCEVHandle Result = getStart();
496   int Divisor = 1;
497   const Type *Ty = It->getType();
498   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
499     SCEVHandle BC = PartialFact(It, i);
500     Divisor *= i;
501     SCEVHandle Val = SCEVUDivExpr::get(SCEVMulExpr::get(BC, getOperand(i)),
502                                        SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Divisor,Ty));
503     Result = SCEVAddExpr::get(Result, Val);
504   }
505   return Result;
506 }
507
508
509 //===----------------------------------------------------------------------===//
510 //                    SCEV Expression folder implementations
511 //===----------------------------------------------------------------------===//
512
513 SCEVHandle SCEVTruncateExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
514   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
515     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
516
517   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
518   // all of the constants.
519   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
520     std::vector<SCEVHandle> Operands;
521     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
522       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
523       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
524         Operands.push_back(get(AddRec->getOperand(i), Ty));
525       else
526         break;
527     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
528       return SCEVAddRecExpr::get(Operands, AddRec->getLoop());
529   }
530
531   SCEVTruncateExpr *&Result = SCEVTruncates[std::make_pair(Op, Ty)];
532   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
533   return Result;
534 }
535
536 SCEVHandle SCEVZeroExtendExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
537   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
538     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
539
540   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
541   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
542   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
543   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
544
545   SCEVZeroExtendExpr *&Result = SCEVZeroExtends[std::make_pair(Op, Ty)];
546   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
547   return Result;
548 }
549
550 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
551 SCEVHandle SCEVAddExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
552   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
553   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
554
555   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
556   GroupByComplexity(Ops);
557
558   // If there are any constants, fold them together.
559   unsigned Idx = 0;
560   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
561     ++Idx;
562     assert(Idx < Ops.size());
563     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
564       // We found two constants, fold them together!
565       Constant *Fold = ConstantExpr::getAdd(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
566       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
567         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
568         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
569         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
570       } else {
571         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
572         // that this is impossible to happen in practice because we always
573         // constant fold constant ints to constant ints.
574         ++Idx;
575       }
576     }
577
578     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
579     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
580       Ops.erase(Ops.begin());
581       --Idx;
582     }
583   }
584
585   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
586   
587   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
588   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
589   // list, these values are required to be adjacent.
590   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
591   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
592     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
593       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
594       // remaining values to the result.
595       SCEVHandle Two = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(2, Ty);
596       SCEVHandle Mul = SCEVMulExpr::get(Ops[i], Two);
597       if (Ops.size() == 2)
598         return Mul;
599       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
600       Ops.push_back(Mul);
601       return SCEVAddExpr::get(Ops);
602     }
603
604   // Okay, now we know the first non-constant operand.  If there are add
605   // operands they would be next.
606   if (Idx < Ops.size()) {
607     bool DeletedAdd = false;
608     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
609       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
610       // list.
611       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
612       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
613       DeletedAdd = true;
614     }
615
616     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
617     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
618     // any operands we just aquired.
619     if (DeletedAdd)
620       return get(Ops);
621   }
622
623   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
624   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
625     ++Idx;
626
627   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
628   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
629   // the multiply.
630   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
631     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
632     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
633       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
634       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
635         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] &&
636             (Mul->getNumOperands() != 2 || !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV))) {
637           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
638           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
639           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
640             // If the multiply has more than two operands, we must get the
641             // Y*Z term.
642             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
643             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
644             InnerMul = SCEVMulExpr::get(MulOps);
645           }
646           SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
647           SCEVHandle AddOne = SCEVAddExpr::get(InnerMul, One);
648           SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(AddOne, Ops[AddOp]);
649           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
650           if (AddOp < Idx) {
651             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
652             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
653           } else {
654             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
655             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
656           }
657           Ops.push_back(OuterMul);
658           return SCEVAddExpr::get(Ops);
659         }
660       
661       // Check this multiply against other multiplies being added together.
662       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
663            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
664            ++OtherMulIdx) {
665         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
666         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
667         // together.
668         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
669              OMulOp != e; ++OMulOp)
670           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
671             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
672             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
673             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
674               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
675               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
676               InnerMul1 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
677             }
678             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
679             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
680               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
681                                              OtherMul->op_end());
682               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
683               InnerMul2 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
684             }
685             SCEVHandle InnerMulSum = SCEVAddExpr::get(InnerMul1,InnerMul2);
686             SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(MulOpSCEV, InnerMulSum);
687             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
688             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
689             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
690             Ops.push_back(OuterMul);
691             return SCEVAddExpr::get(Ops);
692           }
693       }
694     }
695   }
696
697   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
698   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
699   // recurrence.
700   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
701     ++Idx;
702
703   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
704   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
705     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
706     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
707     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
708     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
709     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
710       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
711         LIOps.push_back(Ops[i]);
712         Ops.erase(Ops.begin()+i);
713         --i; --e;
714       }
715
716     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
717     if (!LIOps.empty()) {
718       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
719       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
720
721       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
722       AddRecOps[0] = SCEVAddExpr::get(LIOps);
723
724       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(AddRecOps, AddRec->getLoop());
725       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
726       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
727
728       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
729       for (unsigned i = 0;; ++i)
730         if (Ops[i] == AddRec) {
731           Ops[i] = NewRec;
732           break;
733         }
734       return SCEVAddExpr::get(Ops);
735     }
736
737     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
738     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
739     // added together.  If so, we can fold them.
740     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
741          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
742       if (OtherIdx != Idx) {
743         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
744         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
745           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
746           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
747           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
748             if (i >= NewOps.size()) {
749               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
750                             OtherAddRec->op_end());
751               break;
752             }
753             NewOps[i] = SCEVAddExpr::get(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
754           }
755           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
756
757           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
758
759           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
760           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
761           Ops.push_back(NewAddRec);
762           return SCEVAddExpr::get(Ops);
763         }
764       }
765
766     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
767     // next one.
768   }
769
770   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
771   // already have one, otherwise create a new one.
772   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
773   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scAddExpr,
774                                                               SCEVOps)];
775   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
776   return Result;
777 }
778
779
780 SCEVHandle SCEVMulExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
781   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
782
783   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
784   GroupByComplexity(Ops);
785
786   // If there are any constants, fold them together.
787   unsigned Idx = 0;
788   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
789
790     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
791     if (Ops.size() == 2)
792       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
793         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
794             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
795           return SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(0)),
796                                   SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(1)));
797
798
799     ++Idx;
800     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
801       // We found two constants, fold them together!
802       Constant *Fold = ConstantExpr::getMul(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
803       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
804         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
805         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
806         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
807       } else {
808         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
809         // that this is impossible to happen in practice because we always
810         // constant fold constant ints to constant ints.
811         ++Idx;
812       }
813     }
814
815     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
816     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
817       Ops.erase(Ops.begin());
818       --Idx;
819     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
820       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
821       return Ops[0];
822     }
823   }
824
825   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
826   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
827     ++Idx;
828
829   if (Ops.size() == 1)
830     return Ops[0];
831   
832   // If there are mul operands inline them all into this expression.
833   if (Idx < Ops.size()) {
834     bool DeletedMul = false;
835     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
836       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
837       // list.
838       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
839       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
840       DeletedMul = true;
841     }
842
843     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
844     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
845     // any operands we just aquired.
846     if (DeletedMul)
847       return get(Ops);
848   }
849
850   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
851   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
852   // recurrence.
853   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
854     ++Idx;
855
856   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
857   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
858     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
859     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
860     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
861     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
862     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
863       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
864         LIOps.push_back(Ops[i]);
865         Ops.erase(Ops.begin()+i);
866         --i; --e;
867       }
868
869     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
870     if (!LIOps.empty()) {
871       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
872       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
873       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
874       if (LIOps.size() == 1) {
875         SCEV *Scale = LIOps[0];
876         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
877           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(Scale, AddRec->getOperand(i)));
878       } else {
879         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
880           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
881           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
882           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(MulOps));
883         }
884       }
885
886       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
887
888       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
889       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
890
891       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
892       for (unsigned i = 0;; ++i)
893         if (Ops[i] == AddRec) {
894           Ops[i] = NewRec;
895           break;
896         }
897       return SCEVMulExpr::get(Ops);
898     }
899
900     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
901     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
902     // multiplied together.  If so, we can fold them.
903     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
904          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
905       if (OtherIdx != Idx) {
906         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
907         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
908           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
909           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
910           SCEVHandle NewStart = SCEVMulExpr::get(F->getStart(),
911                                                  G->getStart());
912           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence();
913           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence();
914           SCEVHandle NewStep = SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(F, D),
915                                                 SCEVMulExpr::get(G, B),
916                                                 SCEVMulExpr::get(B, D));
917           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewStart, NewStep,
918                                                      F->getLoop());
919           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
920
921           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
922           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
923           Ops.push_back(NewAddRec);
924           return SCEVMulExpr::get(Ops);
925         }
926       }
927
928     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
929     // next one.
930   }
931
932   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
933   // already have one, otherwise create a new one.
934   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
935   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scMulExpr,
936                                                               SCEVOps)];
937   if (Result == 0) Result = new SCEVMulExpr(Ops);
938   return Result;
939 }
940
941 SCEVHandle SCEVUDivExpr::get(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
942   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
943     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
944       return LHS;                            // X /u 1 --> x
945     if (RHSC->getValue()->isAllOnesValue())
946       return getNegativeSCEV(LHS);           // X /u -1  -->  -x
947
948     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
949       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
950       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
951       if (LHSCV->getType()->isSigned())
952         LHSCV = ConstantExpr::getCast(LHSCV,
953                                       LHSCV->getType()->getUnsignedVersion());
954       if (RHSCV->getType()->isSigned())
955         RHSCV = ConstantExpr::getCast(RHSCV, LHSCV->getType());
956       return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getDiv(LHSCV, RHSCV));
957     }
958   }
959
960   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
961
962   SCEVUDivExpr *&Result = SCEVUDivs[std::make_pair(LHS, RHS)];
963   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
964   return Result;
965 }
966
967
968 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
969 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
970 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(const SCEVHandle &Start,
971                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
972   std::vector<SCEVHandle> Operands;
973   Operands.push_back(Start);
974   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
975     if (StepChrec->getLoop() == L) {
976       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
977                       StepChrec->op_end());
978       return get(Operands, L);
979     }
980
981   Operands.push_back(Step);
982   return get(Operands, L);
983 }
984
985 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
986 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
987 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
988                                const Loop *L) {
989   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
990
991   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
992     if (StepC->getValue()->isNullValue()) {
993       Operands.pop_back();
994       return get(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
995     }
996
997   SCEVAddRecExpr *&Result =
998     SCEVAddRecExprs[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
999                                                          Operands.end()))];
1000   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1001   return Result;
1002 }
1003
1004 SCEVHandle SCEVUnknown::get(Value *V) {
1005   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1006     return SCEVConstant::get(CI);
1007   SCEVUnknown *&Result = SCEVUnknowns[V];
1008   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1009   return Result;
1010 }
1011
1012
1013 //===----------------------------------------------------------------------===//
1014 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1015 //===----------------------------------------------------------------------===//
1016 //
1017 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1018 /// evolution code.
1019 ///
1020 namespace {
1021   struct ScalarEvolutionsImpl {
1022     /// F - The function we are analyzing.
1023     ///
1024     Function &F;
1025
1026     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1027     ///
1028     LoopInfo &LI;
1029
1030     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1031     /// things.
1032     SCEVHandle UnknownValue;
1033
1034     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1035     ///
1036     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1037
1038     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1039     /// function as they are computed.
1040     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1041
1042     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1043     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1044     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1045     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1046     /// exit value.
1047     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1048     
1049   public:
1050     ScalarEvolutionsImpl(Function &f, LoopInfo &li)
1051       : F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1052
1053     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1054     /// expression and create a new one.
1055     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1056
1057     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1058     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1059     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1060     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1061
1062
1063     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1064     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1065     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1066
1067     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1068     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1069     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1070     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1071
1072     /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1073     /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1074     /// that no dangling references are left around.
1075     void deleteInstructionFromRecords(Instruction *I);
1076
1077   private:
1078     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1079     /// Analyze the expression.
1080     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1081     SCEVHandle createNodeForCast(CastInst *CI);
1082
1083     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1084     /// SCEVs.
1085     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1086     void UpdatePHIUserScalarEntries(Instruction *I, PHINode *PN,
1087                                     std::set<Instruction*> &UpdatedInsts);
1088
1089     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1090     /// will iterate.
1091     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1092
1093     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1094     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1095     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1096     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1097     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1098     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1099                                                  bool ExitWhen);
1100
1101     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1102     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1103     /// UnknownValue
1104     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1105
1106     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1107     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1108     /// UnknownValue
1109     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1110
1111     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1112     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1113     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1114     /// involving constants, fold it.
1115     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its,
1116                                                 const Loop *L);
1117   };
1118 }
1119
1120 //===----------------------------------------------------------------------===//
1121 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1122 //
1123
1124 /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1125 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1126 /// that no dangling references are left around.
1127 void ScalarEvolutionsImpl::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) {
1128   Scalars.erase(I);
1129   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1130     ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1131 }
1132
1133
1134 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1135 /// expression and create a new one.
1136 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1137   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1138
1139   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1140   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1141   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1142   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1143   return S;
1144 }
1145
1146
1147 /// UpdatePHIUserScalarEntries - After PHI node analysis, we have a bunch of
1148 /// entries in the scalar map that refer to the "symbolic" PHI value instead of
1149 /// the recurrence value.  After we resolve the PHI we must loop over all of the
1150 /// using instructions that have scalar map entries and update them.
1151 void ScalarEvolutionsImpl::UpdatePHIUserScalarEntries(Instruction *I,
1152                                                       PHINode *PN,
1153                                         std::set<Instruction*> &UpdatedInsts) {
1154   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1155   if (SI == Scalars.end()) return;   // This scalar wasn't previous processed.
1156   if (UpdatedInsts.insert(I).second) {
1157     Scalars.erase(SI);                 // Remove the old entry
1158     getSCEV(I);                        // Calculate the new entry
1159     
1160     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1161          UI != E; ++UI)
1162       UpdatePHIUserScalarEntries(cast<Instruction>(*UI), PN, UpdatedInsts);
1163   }
1164 }
1165
1166
1167 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1168 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1169 ///
1170 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1171   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1172     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1173       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1174         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1175         // from outside the loop, and one from inside.
1176         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1177         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1178         
1179         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1180         SCEVHandle SymbolicName = SCEVUnknown::get(PN);
1181         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1182                "PHI node already processed?");
1183         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1184
1185         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1186         // the back-edge.
1187         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1188
1189         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1190         // has a special value for the first iteration of the loop.
1191
1192         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1193         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1194         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1195           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1196           // with a recurrence.
1197           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1198           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1199             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1200               if (FoundIndex == e) {
1201                 FoundIndex = i;
1202                 break;
1203               }
1204
1205           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1206             // Create an add with everything but the specified operand.
1207             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1208             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1209               if (i != FoundIndex)
1210                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1211             SCEVHandle Accum = SCEVAddExpr::get(Ops);
1212
1213             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1214             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1215             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1216                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1217                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1218               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1219               SCEVHandle PHISCEV  = SCEVAddRecExpr::get(StartVal, Accum, L);
1220
1221               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1222               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1223               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1224               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1225               // value.
1226               Scalars.find(PN)->second = PHISCEV;       // Update the PHI value
1227               std::set<Instruction*> UpdatedInsts;
1228               UpdatedInsts.insert(PN);
1229               for (Value::use_iterator UI = PN->use_begin(), E = PN->use_end();
1230                    UI != E; ++UI)
1231                 UpdatePHIUserScalarEntries(cast<Instruction>(*UI), PN,
1232                                            UpdatedInsts);
1233               return PHISCEV;
1234             }
1235           }
1236         }
1237
1238         return SymbolicName;
1239       }
1240   
1241   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1242   return SCEVUnknown::get(PN);
1243 }
1244
1245 /// createNodeForCast - Handle the various forms of casts that we support.
1246 ///
1247 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForCast(CastInst *CI) {
1248   const Type *SrcTy = CI->getOperand(0)->getType();
1249   const Type *DestTy = CI->getType();
1250   
1251   // If this is a noop cast (ie, conversion from int to uint), ignore it.
1252   if (SrcTy->isLosslesslyConvertibleTo(DestTy))
1253     return getSCEV(CI->getOperand(0));
1254   
1255   if (SrcTy->isInteger() && DestTy->isInteger()) {
1256     // Otherwise, if this is a truncating integer cast, we can represent this
1257     // cast.
1258     if (SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1259       return SCEVTruncateExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1260                                    CI->getType()->getUnsignedVersion());
1261     if (SrcTy->isUnsigned() &&
1262         SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1263       return SCEVZeroExtendExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1264                                      CI->getType()->getUnsignedVersion());
1265   }
1266
1267   // If this is an sign or zero extending cast and we can prove that the value
1268   // will never overflow, we could do similar transformations.
1269
1270   // Otherwise, we can't handle this cast!
1271   return SCEVUnknown::get(CI);
1272 }
1273
1274
1275 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1276 /// Analyze the expression.
1277 ///
1278 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1279   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1280     switch (I->getOpcode()) {
1281     case Instruction::Add:
1282       return SCEVAddExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1283                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1284     case Instruction::Mul:
1285       return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1286                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1287     case Instruction::Div:
1288       if (V->getType()->isInteger() && V->getType()->isUnsigned())
1289         return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1290                                  getSCEV(I->getOperand(1)));
1291       break;
1292
1293     case Instruction::Sub:
1294       return getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(I->getOperand(1)));
1295
1296     case Instruction::Shl:
1297       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1298       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1299         Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1300         X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1301         return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1302       }
1303       break;
1304
1305     case Instruction::Shr:
1306       if (ConstantUInt *SA = dyn_cast<ConstantUInt>(I->getOperand(1)))
1307         if (V->getType()->isUnsigned()) {
1308           Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1309           X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1310           return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1311         }
1312       break;
1313
1314     case Instruction::Cast:
1315       return createNodeForCast(cast<CastInst>(I));
1316
1317     case Instruction::PHI:
1318       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
1319
1320     default: // We cannot analyze this expression.
1321       break;
1322     }
1323   }
1324
1325   return SCEVUnknown::get(V);
1326 }
1327
1328
1329
1330 //===----------------------------------------------------------------------===//
1331 //                   Iteration Count Computation Code
1332 //
1333
1334 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1335 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1336 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1337 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1338   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1339   if (I == IterationCounts.end()) {
1340     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1341     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1342     if (ItCount != UnknownValue) {
1343       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1344              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1345       ++NumTripCountsComputed;
1346     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1347       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1348       ++NumTripCountsNotComputed;
1349     }
1350   }
1351   return I->second;
1352 }
1353
1354 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1355 /// will iterate.
1356 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1357   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1358   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
1359   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1360   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1361
1362   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1363   // loop to be exited.
1364   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1365
1366   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1367   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1368        PI != E; ++PI)
1369     if (L->contains(*PI)) {
1370       if (ExitingBlock == 0)
1371         ExitingBlock = *PI;
1372       else
1373         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1374     }
1375   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1376
1377   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1378   // exit.
1379   //
1380   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1381   // FIXME: We should handle cast of int to bool as well
1382   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1383   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1384   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1385   SetCondInst *ExitCond = dyn_cast<SetCondInst>(ExitBr->getCondition());
1386   if (ExitCond == 0)  // Not a setcc
1387     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1388                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1389
1390   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1391   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1392
1393   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1394   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1395   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1396   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1397   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1398
1399   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false.
1400   Instruction::BinaryOps Cond;
1401   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1402     Cond = ExitCond->getOpcode();
1403   else
1404     Cond = ExitCond->getInverseCondition();
1405
1406   // At this point, we would like to compute how many iterations of the loop the
1407   // predicate will return true for these inputs.
1408   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1409     // If there is a constant, force it into the RHS.
1410     std::swap(LHS, RHS);
1411     Cond = SetCondInst::getSwappedCondition(Cond);
1412   }
1413
1414   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1415   // while (P != P+100) ++P;
1416
1417   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1418   // ranges to answer this query.
1419   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1420     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1421       if (AddRec->getLoop() == L) {
1422         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1423         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1424         // comparison.
1425         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1426         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1427         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getCast(CompVal, RealTy));
1428         if (CompVal) {
1429           // Form the constant range.
1430           ConstantRange CompRange(Cond, CompVal);
1431           
1432           // Now that we have it, if it's signed, convert it to an unsigned
1433           // range.
1434           if (CompRange.getLower()->getType()->isSigned()) {
1435             const Type *NewTy = RHSC->getValue()->getType();
1436             Constant *NewL = ConstantExpr::getCast(CompRange.getLower(), NewTy);
1437             Constant *NewU = ConstantExpr::getCast(CompRange.getUpper(), NewTy);
1438             CompRange = ConstantRange(NewL, NewU);
1439           }
1440           
1441           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange);
1442           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1443         }
1444       }
1445   
1446   switch (Cond) {
1447   case Instruction::SetNE:                     // while (X != Y)
1448     // Convert to: while (X-Y != 0)
1449     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1450       SCEVHandle TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1451       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1452     }
1453     break;
1454   case Instruction::SetEQ:
1455     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1456     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1457       SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1458       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1459     }
1460     break;
1461   default:
1462 #if 0
1463     std::cerr << "ComputeIterationCount ";
1464     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1465       std::cerr << "[unsigned] ";
1466     std::cerr << *LHS << "   "
1467               << Instruction::getOpcodeName(Cond) << "   " << *RHS << "\n";
1468 #endif
1469     break;
1470   }
1471
1472   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
1473                                          ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1474 }
1475
1476 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
1477 /// specified type, assuming that all operands were constants.
1478 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
1479   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I) ||
1480       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
1481     return true;
1482   
1483   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
1484     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
1485       return canConstantFoldCallTo((Function*)F);  // FIXME: elim cast
1486   return false;
1487 }
1488
1489 /// ConstantFold - Constant fold an instruction of the specified type with the
1490 /// specified constant operands.  This function may modify the operands vector.
1491 static Constant *ConstantFold(const Instruction *I,
1492                               std::vector<Constant*> &Operands) {
1493   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I))
1494     return ConstantExpr::get(I->getOpcode(), Operands[0], Operands[1]);
1495
1496   switch (I->getOpcode()) {
1497   case Instruction::Cast:
1498     return ConstantExpr::getCast(Operands[0], I->getType());
1499   case Instruction::Select:
1500     return ConstantExpr::getSelect(Operands[0], Operands[1], Operands[2]);
1501   case Instruction::Call:
1502     if (Function *GV = dyn_cast<Function>(Operands[0])) {
1503       Operands.erase(Operands.begin());
1504       return ConstantFoldCall(cast<Function>(GV), Operands);
1505     }
1506
1507     return 0;
1508   case Instruction::GetElementPtr:
1509     Constant *Base = Operands[0];
1510     Operands.erase(Operands.begin());
1511     return ConstantExpr::getGetElementPtr(Base, Operands);
1512   }
1513   return 0;
1514 }
1515
1516
1517 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
1518 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
1519 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
1520 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
1521 /// constraints, return null.
1522 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
1523   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
1524   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
1525   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1526   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
1527
1528   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1529     if (L->getHeader() == I->getParent())
1530       return PN;
1531     else
1532       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
1533       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
1534       return 0;
1535
1536   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
1537   // are constants, return early.
1538   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
1539   
1540   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
1541   // constant or derived from a PHI node themselves.
1542   PHINode *PHI = 0;
1543   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
1544     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
1545           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
1546       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
1547       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
1548       if (PHI == 0)
1549         PHI = P;
1550       else if (PHI != P)
1551         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
1552     }
1553
1554   // This is a expression evolving from a constant PHI!
1555   return PHI;
1556 }
1557
1558 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
1559 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
1560 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
1561 /// reason, return null.
1562 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
1563   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
1564   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V))
1565     return GV;
1566   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
1567   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1568
1569   std::vector<Constant*> Operands;
1570   Operands.resize(I->getNumOperands());
1571
1572   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1573     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
1574     if (Operands[i] == 0) return 0;
1575   }
1576
1577   return ConstantFold(I, Operands);
1578 }
1579
1580 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1581 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1582 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1583 /// involving constants, fold it.
1584 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
1585 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its, const Loop *L) {
1586   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
1587     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
1588   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
1589     return I->second;
1590
1591   if (Its > MaxBruteForceIterations) 
1592     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
1593
1594   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
1595
1596   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1597   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1598   // second must be derived from the same PHI.
1599   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1600   Constant *StartCST =
1601     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1602   if (StartCST == 0)
1603     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
1604
1605   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1606   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1607   if (PN2 != PN)
1608     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
1609
1610   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
1611   unsigned IterationNum = 0;
1612   unsigned NumIterations = Its;
1613   if (NumIterations != Its)
1614     return RetVal = 0;  // More than 2^32 iterations??
1615
1616   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
1617     if (IterationNum == NumIterations)
1618       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
1619
1620     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1621     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1622     if (NextPHI == PHIVal)
1623       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
1624     if (NextPHI == 0)
1625       return 0;        // Couldn't evaluate!
1626     PHIVal = NextPHI;
1627   }
1628 }
1629
1630 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1631 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1632 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1633 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1634 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1635 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1636 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
1637   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
1638   if (PN == 0) return UnknownValue;
1639
1640   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1641   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1642   // second must be derived from the same PHI.
1643   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1644   Constant *StartCST =
1645     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1646   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
1647
1648   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1649   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1650   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
1651
1652   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
1653   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
1654   // "ExitWhen".
1655   unsigned IterationNum = 0;
1656   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
1657   for (Constant *PHIVal = StartCST;
1658        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
1659     ConstantBool *CondVal =
1660       dyn_cast_or_null<ConstantBool>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
1661     if (!CondVal) return UnknownValue;     // Couldn't symbolically evaluate.
1662
1663     if (CondVal->getValue() == ExitWhen) {
1664       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
1665       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
1666       return SCEVConstant::get(ConstantUInt::get(Type::UIntTy, IterationNum));
1667     }
1668     
1669     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1670     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1671     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
1672       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
1673     PHIVal = NextPHI;
1674   }
1675
1676   // Too many iterations were needed to evaluate.
1677   return UnknownValue;
1678 }
1679
1680 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
1681 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1682 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
1683 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
1684   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
1685
1686   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
1687   
1688   // If this instruction is evolves from a constant-evolving PHI, compute the
1689   // exit value from the loop without using SCEVs.
1690   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
1691     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
1692       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
1693       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
1694         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1695           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
1696             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
1697             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
1698             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
1699             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
1700             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
1701               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
1702               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
1703               // the specified iteration number.
1704               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
1705                                                ICC->getValue()->getRawValue(),
1706                                                                LI);
1707               if (RV) return SCEVUnknown::get(RV);
1708             }
1709           }
1710
1711       // Okay, this is a some expression that we cannot symbolically evaluate
1712       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
1713       // the arguments into constants, and if see, try to constant propagate the
1714       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
1715       if (CanConstantFold(I)) {
1716         std::vector<Constant*> Operands;
1717         Operands.reserve(I->getNumOperands());
1718         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1719           Value *Op = I->getOperand(i);
1720           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
1721             Operands.push_back(C);
1722           } else {
1723             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
1724             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
1725               Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(),
1726                                                        Op->getType()));
1727             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
1728               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
1729                 Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(C, Op->getType()));
1730               else
1731                 return V;
1732             } else {
1733               return V;
1734             }
1735           }
1736         }
1737         return SCEVUnknown::get(ConstantFold(I, Operands));
1738       }
1739     }
1740
1741     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
1742     return V;
1743   }
1744
1745   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
1746     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
1747     // expression has no loop-variant portions.
1748     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1749       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1750       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
1751         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1752         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
1753         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
1754         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
1755         NewOps.push_back(OpAtScope);
1756
1757         for (++i; i != e; ++i) {
1758           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1759           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1760           NewOps.push_back(OpAtScope);
1761         }
1762         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
1763           return SCEVAddExpr::get(NewOps);
1764         assert(isa<SCEVMulExpr>(Comm) && "Only know about add and mul!");
1765         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
1766       }
1767     }
1768     // If we got here, all operands are loop invariant.
1769     return Comm;
1770   }
1771
1772   if (SCEVUDivExpr *UDiv = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
1773     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(UDiv->getLHS(), L);
1774     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
1775     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(UDiv->getRHS(), L);
1776     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
1777     if (LHS == UDiv->getLHS() && RHS == UDiv->getRHS())
1778       return UDiv;   // must be loop invariant
1779     return SCEVUDivExpr::get(LHS, RHS);
1780   }
1781
1782   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
1783   // are dealing with the final value computed by the loop.
1784   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
1785     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
1786       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
1787       // loop iterates.  Compute this now.
1788       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
1789       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
1790       IterationCount = getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
1791                                                AddRec->getType());
1792       
1793       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
1794       // Start + Step*IterationCount.
1795       if (AddRec->isAffine())
1796         return SCEVAddExpr::get(AddRec->getStart(),
1797                                 SCEVMulExpr::get(IterationCount,
1798                                                  AddRec->getOperand(1)));
1799
1800       // Otherwise, evaluate it the hard way.
1801       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount);
1802     }
1803     return UnknownValue;
1804   }
1805
1806   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
1807   return UnknownValue;
1808 }
1809
1810
1811 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
1812 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
1813 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
1814 ///
1815 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
1816 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec) {
1817   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
1818   SCEVConstant *L = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
1819   SCEVConstant *M = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
1820   SCEVConstant *N = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
1821   
1822   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
1823   if (!L || !M || !N) {
1824     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
1825     return std::make_pair(CNC, CNC);
1826   }
1827
1828   Constant *Two = ConstantInt::get(L->getValue()->getType(), 2);
1829   
1830   // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
1831   Constant *C = L->getValue();
1832   // The B coefficient is M-N/2
1833   Constant *B = ConstantExpr::getSub(M->getValue(),
1834                                      ConstantExpr::getDiv(N->getValue(),
1835                                                           Two));
1836   // The A coefficient is N/2
1837   Constant *A = ConstantExpr::getDiv(N->getValue(), Two);
1838         
1839   // Compute the B^2-4ac term.
1840   Constant *SqrtTerm =
1841     ConstantExpr::getMul(ConstantInt::get(C->getType(), 4),
1842                          ConstantExpr::getMul(A, C));
1843   SqrtTerm = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getMul(B, B), SqrtTerm);
1844
1845   // Compute floor(sqrt(B^2-4ac))
1846   ConstantUInt *SqrtVal =
1847     cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(SqrtTerm,
1848                                    SqrtTerm->getType()->getUnsignedVersion()));
1849   uint64_t SqrtValV = SqrtVal->getValue();
1850   uint64_t SqrtValV2 = (uint64_t)sqrt(SqrtValV);
1851   // The square root might not be precise for arbitrary 64-bit integer
1852   // values.  Do some sanity checks to ensure it's correct.
1853   if (SqrtValV2*SqrtValV2 > SqrtValV ||
1854       (SqrtValV2+1)*(SqrtValV2+1) <= SqrtValV) {
1855     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
1856     return std::make_pair(CNC, CNC);
1857   }
1858
1859   SqrtVal = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, SqrtValV2);
1860   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtVal, SqrtTerm->getType());
1861   
1862   Constant *NegB = ConstantExpr::getNeg(B);
1863   Constant *TwoA = ConstantExpr::getMul(A, Two);
1864   
1865   // The divisions must be performed as signed divisions.
1866   const Type *SignedTy = NegB->getType()->getSignedVersion();
1867   NegB = ConstantExpr::getCast(NegB, SignedTy);
1868   TwoA = ConstantExpr::getCast(TwoA, SignedTy);
1869   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtTerm, SignedTy);
1870   
1871   Constant *Solution1 =
1872     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getAdd(NegB, SqrtTerm), TwoA);
1873   Constant *Solution2 =
1874     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getSub(NegB, SqrtTerm), TwoA);
1875   return std::make_pair(SCEVUnknown::get(Solution1),
1876                         SCEVUnknown::get(Solution2));
1877 }
1878
1879 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
1880 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
1881 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
1882   // If the value is a constant
1883   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
1884     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
1885     if (C->getValue()->isNullValue()) return C;
1886     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
1887   }
1888
1889   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
1890   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1891     return UnknownValue;
1892
1893   if (AddRec->isAffine()) {
1894     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
1895     // equal to:
1896     //
1897     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
1898     //
1899     // Get the initial value for the loop.
1900     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
1901     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
1902     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
1903
1904     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
1905
1906     // Figure out if Start % Step == 0.
1907     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
1908     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
1909       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
1910         return getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
1911       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
1912         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
1913
1914       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
1915       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
1916         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
1917         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
1918         Constant *Rem = ConstantExpr::getRem(StartNegC, StepC->getValue());
1919         if (Rem->isNullValue()) {
1920           Constant *Result =ConstantExpr::getDiv(StartNegC,StepC->getValue());
1921           return SCEVUnknown::get(Result);
1922         }
1923       }
1924     }
1925   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
1926     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
1927     // the quadratic equation to solve it.
1928     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec);
1929     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
1930     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
1931     if (R1) {
1932 #if 0
1933       std::cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
1934                 << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
1935 #endif
1936       // Pick the smallest positive root value.
1937       assert(R1->getType()->isUnsigned()&&"Didn't canonicalize to unsigned?");
1938       if (ConstantBool *CB =
1939           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
1940                                                         R2->getValue()))) {
1941         if (CB != ConstantBool::True)
1942           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
1943           
1944         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
1945         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
1946         // should not accept a root of 2.
1947         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1);
1948         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
1949           if (EvalVal->getValue()->isNullValue())
1950             return R1;  // We found a quadratic root!
1951       }
1952     }
1953   }
1954   
1955   return UnknownValue;
1956 }
1957
1958 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1959 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1960 /// UnknownValue
1961 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
1962   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
1963   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
1964   // future as needed.
1965  
1966   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
1967   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
1968   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
1969     Constant *Zero = Constant::getNullValue(C->getValue()->getType());
1970     Constant *NonZero = ConstantExpr::getSetNE(C->getValue(), Zero);
1971     if (NonZero == ConstantBool::True)
1972       return getSCEV(Zero);
1973     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
1974   }
1975   
1976   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
1977   // this, and if they did, they would already be constant folded.
1978   return UnknownValue;
1979 }
1980
1981 static ConstantInt *
1982 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, Constant *C) {
1983   SCEVHandle InVal = SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(C));
1984   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal);
1985   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
1986          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
1987   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
1988 }
1989
1990
1991 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
1992 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
1993 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
1994 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
1995 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
1996 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range) const {
1997   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
1998     return new SCEVCouldNotCompute();
1999
2000   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2001   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2002     if (!SC->getValue()->isNullValue()) {
2003       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2004       Operands[0] = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2005       SCEVHandle Shifted = SCEVAddRecExpr::get(Operands, getLoop());
2006       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2007         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2008                                               Range.subtract(SC->getValue()));
2009       // This is strange and shouldn't happen.
2010       return new SCEVCouldNotCompute();
2011     }
2012
2013   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2014   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2015   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2016     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2017       return new SCEVCouldNotCompute();
2018
2019
2020   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2021   // that the start element is zero.
2022
2023   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2024   // iteration exits.
2025   ConstantInt *Zero = ConstantInt::get(getType(), 0);
2026   if (!Range.contains(Zero)) return SCEVConstant::get(Zero);
2027   
2028   if (isAffine()) {
2029     // If this is an affine expression then we have this situation:
2030     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2031
2032     // Since we know that zero is in the range, we know that the upper value of
2033     // the range must be the first possible exit value.  Also note that we
2034     // already checked for a full range.
2035     ConstantInt *Upper = cast<ConstantInt>(Range.getUpper());
2036     ConstantInt *A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue();
2037     ConstantInt *One   = ConstantInt::get(getType(), 1);
2038
2039     // The exit value should be (Upper+A-1)/A.
2040     Constant *ExitValue = Upper;
2041     if (A != One) {
2042       ExitValue = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getAdd(Upper, A), One);
2043       ExitValue = ConstantExpr::getDiv(ExitValue, A);
2044     }
2045     assert(isa<ConstantInt>(ExitValue) &&
2046            "Constant folding of integers not implemented?");
2047
2048     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2049     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2050     // things must have happened.
2051     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue);
2052     if (Range.contains(Val))
2053       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2054
2055     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2056     assert(Range.contains(EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2057                               ConstantExpr::getSub(ExitValue, One))) &&
2058            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2059     return SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(ExitValue));
2060   } else if (isQuadratic()) {
2061     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2062     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2063     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2064     // Range.getUpper() is crossed.
2065     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2066     NewOps[0] = getNegativeSCEV(SCEVUnknown::get(Range.getUpper()));
2067     SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, getLoop());
2068
2069     // Next, solve the constructed addrec
2070     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2071       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec));
2072     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2073     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2074     if (R1) {
2075       // Pick the smallest positive root value.
2076       assert(R1->getType()->isUnsigned() && "Didn't canonicalize to unsigned?");
2077       if (ConstantBool *CB =
2078           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
2079                                                         R2->getValue()))) {
2080         if (CB != ConstantBool::True)
2081           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2082           
2083         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2084         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2085         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2086         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2087                                                              R1->getValue());
2088         if (Range.contains(R1Val)) {
2089           // The next iteration must be out of the range...
2090           Constant *NextVal =
2091             ConstantExpr::getAdd(R1->getValue(),
2092                                  ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2093           
2094           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2095           if (!Range.contains(R1Val))
2096             return SCEVUnknown::get(NextVal);
2097           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2098         }
2099    
2100         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2101         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2102         Constant *NextVal =
2103           ConstantExpr::getSub(R1->getValue(),
2104                                ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2105         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2106         if (Range.contains(R1Val))
2107           return R1;
2108         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2109       }
2110     }
2111   }
2112
2113   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2114   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2115   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2116   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2117   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2118   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2119   ConstantInt *One     = ConstantInt::get(getType(), 1);
2120   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2121   do {
2122     ++NumBruteForceEvaluations;
2123     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SCEVConstant::get(TestVal));
2124     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2125       return new SCEVCouldNotCompute();
2126
2127     // Check to see if we found the value!
2128     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()))
2129       return SCEVConstant::get(TestVal);
2130
2131     // Increment to test the next index.
2132     TestVal = cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getAdd(TestVal, One));
2133   } while (TestVal != EndVal);
2134   
2135   return new SCEVCouldNotCompute();
2136 }
2137
2138
2139
2140 //===----------------------------------------------------------------------===//
2141 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2142 //===----------------------------------------------------------------------===//
2143
2144 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2145   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(F, getAnalysis<LoopInfo>());
2146   return false;
2147 }
2148
2149 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2150   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2151   Impl = 0;
2152 }
2153
2154 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2155   AU.setPreservesAll();
2156   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
2157   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2158 }
2159
2160 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2161   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2162 }
2163
2164 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2165   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2166 }
2167
2168 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2169   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2170 }
2171
2172 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2173   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2174 }
2175
2176 void ScalarEvolution::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) const {
2177   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteInstructionFromRecords(I);
2178 }
2179
2180 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE, 
2181                           const Loop *L) {
2182   // Print all inner loops first
2183   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2184     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2185   
2186   std::cerr << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2187
2188   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
2189   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2190   if (ExitBlocks.size() != 1)
2191     std::cerr << "<multiple exits> ";
2192
2193   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2194     std::cerr << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2195   } else {
2196     std::cerr << "Unpredictable iteration count. ";
2197   }
2198
2199   std::cerr << "\n";
2200 }
2201
2202 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS) const {
2203   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2204   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2205
2206   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2207   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2208     if (I->getType()->isInteger()) {
2209       OS << *I;
2210       OS << "  --> ";
2211       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2212       SV->print(OS);
2213       OS << "\t\t";
2214       
2215       if ((*I).getType()->isIntegral()) {
2216         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2217         if (!Bounds.isFullSet())
2218           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2219       }
2220
2221       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2222         OS << "Exits: ";
2223         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2224         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2225           OS << "<<Unknown>>";
2226         } else {
2227           OS << *ExitValue;
2228         }
2229       }
2230
2231
2232       OS << "\n";
2233     }
2234
2235   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2236   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2237     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2238 }
2239