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[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // 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 const SCEV *
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 #define DEBUG_TYPE "scalar-evolution"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Constants.h"
65 #include "llvm/DerivedTypes.h"
66 #include "llvm/GlobalVariable.h"
67 #include "llvm/Instructions.h"
68 #include "llvm/LLVMContext.h"
69 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
70 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
71 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
72 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
73 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
74 #include "llvm/Target/TargetData.h"
75 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
76 #include "llvm/Support/Compiler.h"
77 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
78 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
79 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
80 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
81 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
82 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
83 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
84 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
85 #include <algorithm>
86 using namespace llvm;
87
88 STATISTIC(NumArrayLenItCounts,
89           "Number of trip counts computed with array length");
90 STATISTIC(NumTripCountsComputed,
91           "Number of loops with predictable loop counts");
92 STATISTIC(NumTripCountsNotComputed,
93           "Number of loops without predictable loop counts");
94 STATISTIC(NumBruteForceTripCountsComputed,
95           "Number of loops with trip counts computed by force");
96
97 static cl::opt<unsigned>
98 MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
99                         cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will "
100                                  "symbolically execute a constant "
101                                  "derived loop"),
102                         cl::init(100));
103
104 static RegisterPass<ScalarEvolution>
105 R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis", false, true);
106 char ScalarEvolution::ID = 0;
107
108 //===----------------------------------------------------------------------===//
109 //                           SCEV class definitions
110 //===----------------------------------------------------------------------===//
111
112 //===----------------------------------------------------------------------===//
113 // Implementation of the SCEV class.
114 //
115
116 SCEV::~SCEV() {}
117
118 void SCEV::dump() const {
119   print(errs());
120   errs() << '\n';
121 }
122
123 void SCEV::print(std::ostream &o) const {
124   raw_os_ostream OS(o);
125   print(OS);
126 }
127
128 bool SCEV::isZero() const {
129   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
130     return SC->getValue()->isZero();
131   return false;
132 }
133
134 bool SCEV::isOne() const {
135   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
136     return SC->getValue()->isOne();
137   return false;
138 }
139
140 bool SCEV::isAllOnesValue() const {
141   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
142     return SC->getValue()->isAllOnesValue();
143   return false;
144 }
145
146 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() :
147   SCEV(scCouldNotCompute) {}
148
149 void SCEVCouldNotCompute::Profile(FoldingSetNodeID &ID) const {
150   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
151 }
152
153 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
154   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
155   return false;
156 }
157
158 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
159   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
160   return 0;
161 }
162
163 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
164   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
165   return false;
166 }
167
168 const SCEV *
169 SCEVCouldNotCompute::replaceSymbolicValuesWithConcrete(
170                                                     const SCEV *Sym,
171                                                     const SCEV *Conc,
172                                                     ScalarEvolution &SE) const {
173   return this;
174 }
175
176 void SCEVCouldNotCompute::print(raw_ostream &OS) const {
177   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
178 }
179
180 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
181   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
182 }
183
184 const SCEV *ScalarEvolution::getConstant(ConstantInt *V) {
185   FoldingSetNodeID ID;
186   ID.AddInteger(scConstant);
187   ID.AddPointer(V);
188   void *IP = 0;
189   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
190   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVConstant>();
191   new (S) SCEVConstant(V);
192   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
193   return S;
194 }
195
196 const SCEV *ScalarEvolution::getConstant(const APInt& Val) {
197   return getConstant(ConstantInt::get(Val));
198 }
199
200 const SCEV *
201 ScalarEvolution::getConstant(const Type *Ty, uint64_t V, bool isSigned) {
202   return getConstant(ConstantInt::get(cast<IntegerType>(Ty), V, isSigned));
203 }
204
205 void SCEVConstant::Profile(FoldingSetNodeID &ID) const {
206   ID.AddInteger(scConstant);
207   ID.AddPointer(V);
208 }
209
210 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
211
212 void SCEVConstant::print(raw_ostream &OS) const {
213   WriteAsOperand(OS, V, false);
214 }
215
216 SCEVCastExpr::SCEVCastExpr(unsigned SCEVTy,
217                            const SCEV *op, const Type *ty)
218   : SCEV(SCEVTy), Op(op), Ty(ty) {}
219
220 void SCEVCastExpr::Profile(FoldingSetNodeID &ID) const {
221   ID.AddInteger(getSCEVType());
222   ID.AddPointer(Op);
223   ID.AddPointer(Ty);
224 }
225
226 bool SCEVCastExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
227   return Op->dominates(BB, DT);
228 }
229
230 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEV *op, const Type *ty)
231   : SCEVCastExpr(scTruncate, op, ty) {
232   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
233          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
234          "Cannot truncate non-integer value!");
235 }
236
237 void SCEVTruncateExpr::print(raw_ostream &OS) const {
238   OS << "(trunc " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
239 }
240
241 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEV *op, const Type *ty)
242   : SCEVCastExpr(scZeroExtend, op, ty) {
243   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
244          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
245          "Cannot zero extend non-integer value!");
246 }
247
248 void SCEVZeroExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
249   OS << "(zext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
250 }
251
252 SCEVSignExtendExpr::SCEVSignExtendExpr(const SCEV *op, const Type *ty)
253   : SCEVCastExpr(scSignExtend, op, ty) {
254   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
255          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
256          "Cannot sign extend non-integer value!");
257 }
258
259 void SCEVSignExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
260   OS << "(sext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
261 }
262
263 void SCEVCommutativeExpr::print(raw_ostream &OS) const {
264   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
265   const char *OpStr = getOperationStr();
266   OS << "(" << *Operands[0];
267   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
268     OS << OpStr << *Operands[i];
269   OS << ")";
270 }
271
272 const SCEV *
273 SCEVCommutativeExpr::replaceSymbolicValuesWithConcrete(
274                                                     const SCEV *Sym,
275                                                     const SCEV *Conc,
276                                                     ScalarEvolution &SE) const {
277   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
278     const SCEV *H =
279       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
280     if (H != getOperand(i)) {
281       SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps;
282       NewOps.reserve(getNumOperands());
283       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
284         NewOps.push_back(getOperand(j));
285       NewOps.push_back(H);
286       for (++i; i != e; ++i)
287         NewOps.push_back(getOperand(i)->
288                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
289
290       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
291         return SE.getAddExpr(NewOps);
292       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
293         return SE.getMulExpr(NewOps);
294       else if (isa<SCEVSMaxExpr>(this))
295         return SE.getSMaxExpr(NewOps);
296       else if (isa<SCEVUMaxExpr>(this))
297         return SE.getUMaxExpr(NewOps);
298       else
299         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
300     }
301   }
302   return this;
303 }
304
305 void SCEVNAryExpr::Profile(FoldingSetNodeID &ID) const {
306   ID.AddInteger(getSCEVType());
307   ID.AddInteger(Operands.size());
308   for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
309     ID.AddPointer(Operands[i]);
310 }
311
312 bool SCEVNAryExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
313   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
314     if (!getOperand(i)->dominates(BB, DT))
315       return false;
316   }
317   return true;
318 }
319
320 void SCEVUDivExpr::Profile(FoldingSetNodeID &ID) const {
321   ID.AddInteger(scUDivExpr);
322   ID.AddPointer(LHS);
323   ID.AddPointer(RHS);
324 }
325
326 bool SCEVUDivExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
327   return LHS->dominates(BB, DT) && RHS->dominates(BB, DT);
328 }
329
330 void SCEVUDivExpr::print(raw_ostream &OS) const {
331   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
332 }
333
334 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
335   // In most cases the types of LHS and RHS will be the same, but in some
336   // crazy cases one or the other may be a pointer. ScalarEvolution doesn't
337   // depend on the type for correctness, but handling types carefully can
338   // avoid extra casts in the SCEVExpander. The LHS is more likely to be
339   // a pointer type than the RHS, so use the RHS' type here.
340   return RHS->getType();
341 }
342
343 void SCEVAddRecExpr::Profile(FoldingSetNodeID &ID) const {
344   ID.AddInteger(scAddRecExpr);
345   ID.AddInteger(Operands.size());
346   for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
347     ID.AddPointer(Operands[i]);
348   ID.AddPointer(L);
349 }
350
351 const SCEV *
352 SCEVAddRecExpr::replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEV *Sym,
353                                                   const SCEV *Conc,
354                                                   ScalarEvolution &SE) const {
355   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
356     const SCEV *H =
357       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
358     if (H != getOperand(i)) {
359       SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps;
360       NewOps.reserve(getNumOperands());
361       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
362         NewOps.push_back(getOperand(j));
363       NewOps.push_back(H);
364       for (++i; i != e; ++i)
365         NewOps.push_back(getOperand(i)->
366                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
367
368       return SE.getAddRecExpr(NewOps, L);
369     }
370   }
371   return this;
372 }
373
374
375 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
376   // Add recurrences are never invariant in the function-body (null loop).
377   if (!QueryLoop)
378     return false;
379
380   // This recurrence is variant w.r.t. QueryLoop if QueryLoop contains L.
381   if (QueryLoop->contains(L->getHeader()))
382     return false;
383
384   // This recurrence is variant w.r.t. QueryLoop if any of its operands
385   // are variant.
386   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
387     if (!getOperand(i)->isLoopInvariant(QueryLoop))
388       return false;
389
390   // Otherwise it's loop-invariant.
391   return true;
392 }
393
394 void SCEVAddRecExpr::print(raw_ostream &OS) const {
395   OS << "{" << *Operands[0];
396   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
397     OS << ",+," << *Operands[i];
398   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
399 }
400
401 void SCEVUnknown::Profile(FoldingSetNodeID &ID) const {
402   ID.AddInteger(scUnknown);
403   ID.AddPointer(V);
404 }
405
406 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
407   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
408   // invariant if they are not contained in the specified loop.
409   // Instructions are never considered invariant in the function body
410   // (null loop) because they are defined within the "loop".
411   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
412     return L && !L->contains(I->getParent());
413   return true;
414 }
415
416 bool SCEVUnknown::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
417   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(getValue()))
418     return DT->dominates(I->getParent(), BB);
419   return true;
420 }
421
422 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
423   return V->getType();
424 }
425
426 void SCEVUnknown::print(raw_ostream &OS) const {
427   WriteAsOperand(OS, V, false);
428 }
429
430 //===----------------------------------------------------------------------===//
431 //                               SCEV Utilities
432 //===----------------------------------------------------------------------===//
433
434 namespace {
435   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
436   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
437   /// expressions.
438   class VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
439     LoopInfo *LI;
440   public:
441     explicit SCEVComplexityCompare(LoopInfo *li) : LI(li) {}
442
443     bool operator()(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) const {
444       // Primarily, sort the SCEVs by their getSCEVType().
445       if (LHS->getSCEVType() != RHS->getSCEVType())
446         return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
447
448       // Aside from the getSCEVType() ordering, the particular ordering
449       // isn't very important except that it's beneficial to be consistent,
450       // so that (a + b) and (b + a) don't end up as different expressions.
451
452       // Sort SCEVUnknown values with some loose heuristics. TODO: This is
453       // not as complete as it could be.
454       if (const SCEVUnknown *LU = dyn_cast<SCEVUnknown>(LHS)) {
455         const SCEVUnknown *RU = cast<SCEVUnknown>(RHS);
456
457         // Order pointer values after integer values. This helps SCEVExpander
458         // form GEPs.
459         if (isa<PointerType>(LU->getType()) && !isa<PointerType>(RU->getType()))
460           return false;
461         if (isa<PointerType>(RU->getType()) && !isa<PointerType>(LU->getType()))
462           return true;
463
464         // Compare getValueID values.
465         if (LU->getValue()->getValueID() != RU->getValue()->getValueID())
466           return LU->getValue()->getValueID() < RU->getValue()->getValueID();
467
468         // Sort arguments by their position.
469         if (const Argument *LA = dyn_cast<Argument>(LU->getValue())) {
470           const Argument *RA = cast<Argument>(RU->getValue());
471           return LA->getArgNo() < RA->getArgNo();
472         }
473
474         // For instructions, compare their loop depth, and their opcode.
475         // This is pretty loose.
476         if (Instruction *LV = dyn_cast<Instruction>(LU->getValue())) {
477           Instruction *RV = cast<Instruction>(RU->getValue());
478
479           // Compare loop depths.
480           if (LI->getLoopDepth(LV->getParent()) !=
481               LI->getLoopDepth(RV->getParent()))
482             return LI->getLoopDepth(LV->getParent()) <
483                    LI->getLoopDepth(RV->getParent());
484
485           // Compare opcodes.
486           if (LV->getOpcode() != RV->getOpcode())
487             return LV->getOpcode() < RV->getOpcode();
488
489           // Compare the number of operands.
490           if (LV->getNumOperands() != RV->getNumOperands())
491             return LV->getNumOperands() < RV->getNumOperands();
492         }
493
494         return false;
495       }
496
497       // Compare constant values.
498       if (const SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
499         const SCEVConstant *RC = cast<SCEVConstant>(RHS);
500         if (LC->getValue()->getBitWidth() != RC->getValue()->getBitWidth())
501           return LC->getValue()->getBitWidth() < RC->getValue()->getBitWidth();
502         return LC->getValue()->getValue().ult(RC->getValue()->getValue());
503       }
504
505       // Compare addrec loop depths.
506       if (const SCEVAddRecExpr *LA = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS)) {
507         const SCEVAddRecExpr *RA = cast<SCEVAddRecExpr>(RHS);
508         if (LA->getLoop()->getLoopDepth() != RA->getLoop()->getLoopDepth())
509           return LA->getLoop()->getLoopDepth() < RA->getLoop()->getLoopDepth();
510       }
511
512       // Lexicographically compare n-ary expressions.
513       if (const SCEVNAryExpr *LC = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(LHS)) {
514         const SCEVNAryExpr *RC = cast<SCEVNAryExpr>(RHS);
515         for (unsigned i = 0, e = LC->getNumOperands(); i != e; ++i) {
516           if (i >= RC->getNumOperands())
517             return false;
518           if (operator()(LC->getOperand(i), RC->getOperand(i)))
519             return true;
520           if (operator()(RC->getOperand(i), LC->getOperand(i)))
521             return false;
522         }
523         return LC->getNumOperands() < RC->getNumOperands();
524       }
525
526       // Lexicographically compare udiv expressions.
527       if (const SCEVUDivExpr *LC = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(LHS)) {
528         const SCEVUDivExpr *RC = cast<SCEVUDivExpr>(RHS);
529         if (operator()(LC->getLHS(), RC->getLHS()))
530           return true;
531         if (operator()(RC->getLHS(), LC->getLHS()))
532           return false;
533         if (operator()(LC->getRHS(), RC->getRHS()))
534           return true;
535         if (operator()(RC->getRHS(), LC->getRHS()))
536           return false;
537         return false;
538       }
539
540       // Compare cast expressions by operand.
541       if (const SCEVCastExpr *LC = dyn_cast<SCEVCastExpr>(LHS)) {
542         const SCEVCastExpr *RC = cast<SCEVCastExpr>(RHS);
543         return operator()(LC->getOperand(), RC->getOperand());
544       }
545
546       assert(0 && "Unknown SCEV kind!");
547       return false;
548     }
549   };
550 }
551
552 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
553 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
554 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
555 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
556 ///
557 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
558 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
559 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
560 /// land in memory.
561 ///
562 static void GroupByComplexity(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
563                               LoopInfo *LI) {
564   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
565   if (Ops.size() == 2) {
566     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
567     // Special case it.
568     if (SCEVComplexityCompare(LI)(Ops[1], Ops[0]))
569       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
570     return;
571   }
572
573   // Do the rough sort by complexity.
574   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare(LI));
575
576   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
577   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
578   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
579   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
580   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
581     const SCEV *S = Ops[i];
582     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
583
584     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
585     // one, group them.
586     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
587       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
588         // Move it to immediately after i'th element.
589         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
590         ++i;   // no need to rescan it.
591         if (i == e-2) return;  // Done!
592       }
593     }
594   }
595 }
596
597
598
599 //===----------------------------------------------------------------------===//
600 //                      Simple SCEV method implementations
601 //===----------------------------------------------------------------------===//
602
603 /// BinomialCoefficient - Compute BC(It, K).  The result has width W.
604 /// Assume, K > 0.
605 static const SCEV *BinomialCoefficient(const SCEV *It, unsigned K,
606                                       ScalarEvolution &SE,
607                                       const Type* ResultTy) {
608   // Handle the simplest case efficiently.
609   if (K == 1)
610     return SE.getTruncateOrZeroExtend(It, ResultTy);
611
612   // We are using the following formula for BC(It, K):
613   //
614   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / K!
615   //
616   // Suppose, W is the bitwidth of the return value.  We must be prepared for
617   // overflow.  Hence, we must assure that the result of our computation is
618   // equal to the accurate one modulo 2^W.  Unfortunately, division isn't
619   // safe in modular arithmetic.
620   //
621   // However, this code doesn't use exactly that formula; the formula it uses
622   // is something like the following, where T is the number of factors of 2 in
623   // K! (i.e. trailing zeros in the binary representation of K!), and ^ is
624   // exponentiation:
625   //
626   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / 2^T / (K! / 2^T)
627   //
628   // This formula is trivially equivalent to the previous formula.  However,
629   // this formula can be implemented much more efficiently.  The trick is that
630   // K! / 2^T is odd, and exact division by an odd number *is* safe in modular
631   // arithmetic.  To do exact division in modular arithmetic, all we have
632   // to do is multiply by the inverse.  Therefore, this step can be done at
633   // width W.
634   //
635   // The next issue is how to safely do the division by 2^T.  The way this
636   // is done is by doing the multiplication step at a width of at least W + T
637   // bits.  This way, the bottom W+T bits of the product are accurate. Then,
638   // when we perform the division by 2^T (which is equivalent to a right shift
639   // by T), the bottom W bits are accurate.  Extra bits are okay; they'll get
640   // truncated out after the division by 2^T.
641   //
642   // In comparison to just directly using the first formula, this technique
643   // is much more efficient; using the first formula requires W * K bits,
644   // but this formula less than W + K bits. Also, the first formula requires
645   // a division step, whereas this formula only requires multiplies and shifts.
646   //
647   // It doesn't matter whether the subtraction step is done in the calculation
648   // width or the input iteration count's width; if the subtraction overflows,
649   // the result must be zero anyway.  We prefer here to do it in the width of
650   // the induction variable because it helps a lot for certain cases; CodeGen
651   // isn't smart enough to ignore the overflow, which leads to much less
652   // efficient code if the width of the subtraction is wider than the native
653   // register width.
654   //
655   // (It's possible to not widen at all by pulling out factors of 2 before
656   // the multiplication; for example, K=2 can be calculated as
657   // It/2*(It+(It*INT_MIN/INT_MIN)+-1). However, it requires
658   // extra arithmetic, so it's not an obvious win, and it gets
659   // much more complicated for K > 3.)
660
661   // Protection from insane SCEVs; this bound is conservative,
662   // but it probably doesn't matter.
663   if (K > 1000)
664     return SE.getCouldNotCompute();
665
666   unsigned W = SE.getTypeSizeInBits(ResultTy);
667
668   // Calculate K! / 2^T and T; we divide out the factors of two before
669   // multiplying for calculating K! / 2^T to avoid overflow.
670   // Other overflow doesn't matter because we only care about the bottom
671   // W bits of the result.
672   APInt OddFactorial(W, 1);
673   unsigned T = 1;
674   for (unsigned i = 3; i <= K; ++i) {
675     APInt Mult(W, i);
676     unsigned TwoFactors = Mult.countTrailingZeros();
677     T += TwoFactors;
678     Mult = Mult.lshr(TwoFactors);
679     OddFactorial *= Mult;
680   }
681
682   // We need at least W + T bits for the multiplication step
683   unsigned CalculationBits = W + T;
684
685   // Calcuate 2^T, at width T+W.
686   APInt DivFactor = APInt(CalculationBits, 1).shl(T);
687
688   // Calculate the multiplicative inverse of K! / 2^T;
689   // this multiplication factor will perform the exact division by
690   // K! / 2^T.
691   APInt Mod = APInt::getSignedMinValue(W+1);
692   APInt MultiplyFactor = OddFactorial.zext(W+1);
693   MultiplyFactor = MultiplyFactor.multiplicativeInverse(Mod);
694   MultiplyFactor = MultiplyFactor.trunc(W);
695
696   // Calculate the product, at width T+W
697   const IntegerType *CalculationTy = IntegerType::get(CalculationBits);
698   const SCEV *Dividend = SE.getTruncateOrZeroExtend(It, CalculationTy);
699   for (unsigned i = 1; i != K; ++i) {
700     const SCEV *S = SE.getMinusSCEV(It, SE.getIntegerSCEV(i, It->getType()));
701     Dividend = SE.getMulExpr(Dividend,
702                              SE.getTruncateOrZeroExtend(S, CalculationTy));
703   }
704
705   // Divide by 2^T
706   const SCEV *DivResult = SE.getUDivExpr(Dividend, SE.getConstant(DivFactor));
707
708   // Truncate the result, and divide by K! / 2^T.
709
710   return SE.getMulExpr(SE.getConstant(MultiplyFactor),
711                        SE.getTruncateOrZeroExtend(DivResult, ResultTy));
712 }
713
714 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
715 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
716 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
717 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
718 ///
719 ///   A*BC(It, 0) + B*BC(It, 1) + C*BC(It, 2) + D*BC(It, 3)
720 ///
721 /// where BC(It, k) stands for binomial coefficient.
722 ///
723 const SCEV *SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(const SCEV *It,
724                                                ScalarEvolution &SE) const {
725   const SCEV *Result = getStart();
726   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
727     // The computation is correct in the face of overflow provided that the
728     // multiplication is performed _after_ the evaluation of the binomial
729     // coefficient.
730     const SCEV *Coeff = BinomialCoefficient(It, i, SE, getType());
731     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Coeff))
732       return Coeff;
733
734     Result = SE.getAddExpr(Result, SE.getMulExpr(getOperand(i), Coeff));
735   }
736   return Result;
737 }
738
739 //===----------------------------------------------------------------------===//
740 //                    SCEV Expression folder implementations
741 //===----------------------------------------------------------------------===//
742
743 const SCEV *ScalarEvolution::getTruncateExpr(const SCEV *Op,
744                                             const Type *Ty) {
745   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) > getTypeSizeInBits(Ty) &&
746          "This is not a truncating conversion!");
747   assert(isSCEVable(Ty) &&
748          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
749   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
750
751   // Fold if the operand is constant.
752   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
753     return getConstant(
754       cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty)));
755
756   // trunc(trunc(x)) --> trunc(x)
757   if (const SCEVTruncateExpr *ST = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(Op))
758     return getTruncateExpr(ST->getOperand(), Ty);
759
760   // trunc(sext(x)) --> sext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
761   if (const SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
762     return getTruncateOrSignExtend(SS->getOperand(), Ty);
763
764   // trunc(zext(x)) --> zext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
765   if (const SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
766     return getTruncateOrZeroExtend(SZ->getOperand(), Ty);
767
768   // If the input value is a chrec scev, truncate the chrec's operands.
769   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
770     SmallVector<const SCEV *, 4> Operands;
771     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
772       Operands.push_back(getTruncateExpr(AddRec->getOperand(i), Ty));
773     return getAddRecExpr(Operands, AddRec->getLoop());
774   }
775
776   FoldingSetNodeID ID;
777   ID.AddInteger(scTruncate);
778   ID.AddPointer(Op);
779   ID.AddPointer(Ty);
780   void *IP = 0;
781   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
782   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVTruncateExpr>();
783   new (S) SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
784   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
785   return S;
786 }
787
788 const SCEV *ScalarEvolution::getZeroExtendExpr(const SCEV *Op,
789                                               const Type *Ty) {
790   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
791          "This is not an extending conversion!");
792   assert(isSCEVable(Ty) &&
793          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
794   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
795
796   // Fold if the operand is constant.
797   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
798     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
799     Constant *C = ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), IntTy);
800     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
801     return getConstant(cast<ConstantInt>(C));
802   }
803
804   // zext(zext(x)) --> zext(x)
805   if (const SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
806     return getZeroExtendExpr(SZ->getOperand(), Ty);
807
808   // If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
809   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
810   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
811   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
812   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
813     if (AR->isAffine()) {
814       const SCEV *Start = AR->getStart();
815       const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*this);
816       unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(AR->getType());
817       const Loop *L = AR->getLoop();
818
819       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
820       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
821       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
822       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
823       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
824       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
825       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
826       // that value once it has finished.
827       const SCEV *MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(L);
828       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
829         // Manually compute the final value for AR, checking for
830         // overflow.
831
832         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
833         // the addrec's type. The count is always unsigned.
834         const SCEV *CastedMaxBECount =
835           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
836         const SCEV *RecastedMaxBECount =
837           getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType());
838         if (MaxBECount == RecastedMaxBECount) {
839           const Type *WideTy = IntegerType::get(BitWidth * 2);
840           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no unsigned overflow.
841           const SCEV *ZMul =
842             getMulExpr(CastedMaxBECount,
843                        getTruncateOrZeroExtend(Step, Start->getType()));
844           const SCEV *Add = getAddExpr(Start, ZMul);
845           const SCEV *OperandExtendedAdd =
846             getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
847                        getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
848                                   getZeroExtendExpr(Step, WideTy)));
849           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) == OperandExtendedAdd)
850             // Return the expression with the addrec on the outside.
851             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
852                                  getZeroExtendExpr(Step, Ty),
853                                  L);
854
855           // Similar to above, only this time treat the step value as signed.
856           // This covers loops that count down.
857           const SCEV *SMul =
858             getMulExpr(CastedMaxBECount,
859                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
860           Add = getAddExpr(Start, SMul);
861           OperandExtendedAdd =
862             getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
863                        getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
864                                   getSignExtendExpr(Step, WideTy)));
865           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) == OperandExtendedAdd)
866             // Return the expression with the addrec on the outside.
867             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
868                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
869                                  L);
870         }
871
872         // If the backedge is guarded by a comparison with the pre-inc value
873         // the addrec is safe. Also, if the entry is guarded by a comparison
874         // with the start value and the backedge is guarded by a comparison
875         // with the post-inc value, the addrec is safe.
876         if (isKnownPositive(Step)) {
877           const SCEV *N = getConstant(APInt::getMinValue(BitWidth) -
878                                       getUnsignedRange(Step).getUnsignedMax());
879           if (isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_ULT, AR, N) ||
880               (isLoopGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_ULT, Start, N) &&
881                isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_ULT,
882                                            AR->getPostIncExpr(*this), N)))
883             // Return the expression with the addrec on the outside.
884             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
885                                  getZeroExtendExpr(Step, Ty),
886                                  L);
887         } else if (isKnownNegative(Step)) {
888           const SCEV *N = getConstant(APInt::getMaxValue(BitWidth) -
889                                       getSignedRange(Step).getSignedMin());
890           if (isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_UGT, AR, N) &&
891               (isLoopGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_UGT, Start, N) ||
892                isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_UGT,
893                                            AR->getPostIncExpr(*this), N)))
894             // Return the expression with the addrec on the outside.
895             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
896                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
897                                  L);
898         }
899       }
900     }
901
902   FoldingSetNodeID ID;
903   ID.AddInteger(scZeroExtend);
904   ID.AddPointer(Op);
905   ID.AddPointer(Ty);
906   void *IP = 0;
907   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
908   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVZeroExtendExpr>();
909   new (S) SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
910   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
911   return S;
912 }
913
914 const SCEV *ScalarEvolution::getSignExtendExpr(const SCEV *Op,
915                                               const Type *Ty) {
916   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
917          "This is not an extending conversion!");
918   assert(isSCEVable(Ty) &&
919          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
920   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
921
922   // Fold if the operand is constant.
923   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
924     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
925     Constant *C = ConstantExpr::getSExt(SC->getValue(), IntTy);
926     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
927     return getConstant(cast<ConstantInt>(C));
928   }
929
930   // sext(sext(x)) --> sext(x)
931   if (const SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
932     return getSignExtendExpr(SS->getOperand(), Ty);
933
934   // If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
935   // did not overflow the old, smaller, value, we can sign extend all of the
936   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
937   // this:  for (signed char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
938   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
939     if (AR->isAffine()) {
940       const SCEV *Start = AR->getStart();
941       const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*this);
942       unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(AR->getType());
943       const Loop *L = AR->getLoop();
944
945       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
946       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
947       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
948       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
949       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
950       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
951       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
952       // that value once it has finished.
953       const SCEV *MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(L);
954       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
955         // Manually compute the final value for AR, checking for
956         // overflow.
957
958         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
959         // the addrec's type. The count is always unsigned.
960         const SCEV *CastedMaxBECount =
961           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
962         const SCEV *RecastedMaxBECount =
963           getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType());
964         if (MaxBECount == RecastedMaxBECount) {
965           const Type *WideTy = IntegerType::get(BitWidth * 2);
966           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no signed overflow.
967           const SCEV *SMul =
968             getMulExpr(CastedMaxBECount,
969                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
970           const SCEV *Add = getAddExpr(Start, SMul);
971           const SCEV *OperandExtendedAdd =
972             getAddExpr(getSignExtendExpr(Start, WideTy),
973                        getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
974                                   getSignExtendExpr(Step, WideTy)));
975           if (getSignExtendExpr(Add, WideTy) == OperandExtendedAdd)
976             // Return the expression with the addrec on the outside.
977             return getAddRecExpr(getSignExtendExpr(Start, Ty),
978                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
979                                  L);
980         }
981
982         // If the backedge is guarded by a comparison with the pre-inc value
983         // the addrec is safe. Also, if the entry is guarded by a comparison
984         // with the start value and the backedge is guarded by a comparison
985         // with the post-inc value, the addrec is safe.
986         if (isKnownPositive(Step)) {
987           const SCEV *N = getConstant(APInt::getSignedMinValue(BitWidth) -
988                                       getSignedRange(Step).getSignedMax());
989           if (isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SLT, AR, N) ||
990               (isLoopGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SLT, Start, N) &&
991                isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SLT,
992                                            AR->getPostIncExpr(*this), N)))
993             // Return the expression with the addrec on the outside.
994             return getAddRecExpr(getSignExtendExpr(Start, Ty),
995                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
996                                  L);
997         } else if (isKnownNegative(Step)) {
998           const SCEV *N = getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth) -
999                                       getSignedRange(Step).getSignedMin());
1000           if (isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SGT, AR, N) ||
1001               (isLoopGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SGT, Start, N) &&
1002                isLoopBackedgeGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SGT,
1003                                            AR->getPostIncExpr(*this), N)))
1004             // Return the expression with the addrec on the outside.
1005             return getAddRecExpr(getSignExtendExpr(Start, Ty),
1006                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
1007                                  L);
1008         }
1009       }
1010     }
1011
1012   FoldingSetNodeID ID;
1013   ID.AddInteger(scSignExtend);
1014   ID.AddPointer(Op);
1015   ID.AddPointer(Ty);
1016   void *IP = 0;
1017   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
1018   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVSignExtendExpr>();
1019   new (S) SCEVSignExtendExpr(Op, Ty);
1020   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
1021   return S;
1022 }
1023
1024 /// getAnyExtendExpr - Return a SCEV for the given operand extended with
1025 /// unspecified bits out to the given type.
1026 ///
1027 const SCEV *ScalarEvolution::getAnyExtendExpr(const SCEV *Op,
1028                                              const Type *Ty) {
1029   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
1030          "This is not an extending conversion!");
1031   assert(isSCEVable(Ty) &&
1032          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
1033   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1034
1035   // Sign-extend negative constants.
1036   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
1037     if (SC->getValue()->getValue().isNegative())
1038       return getSignExtendExpr(Op, Ty);
1039
1040   // Peel off a truncate cast.
1041   if (const SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(Op)) {
1042     const SCEV *NewOp = T->getOperand();
1043     if (getTypeSizeInBits(NewOp->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty))
1044       return getAnyExtendExpr(NewOp, Ty);
1045     return getTruncateOrNoop(NewOp, Ty);
1046   }
1047
1048   // Next try a zext cast. If the cast is folded, use it.
1049   const SCEV *ZExt = getZeroExtendExpr(Op, Ty);
1050   if (!isa<SCEVZeroExtendExpr>(ZExt))
1051     return ZExt;
1052
1053   // Next try a sext cast. If the cast is folded, use it.
1054   const SCEV *SExt = getSignExtendExpr(Op, Ty);
1055   if (!isa<SCEVSignExtendExpr>(SExt))
1056     return SExt;
1057
1058   // If the expression is obviously signed, use the sext cast value.
1059   if (isa<SCEVSMaxExpr>(Op))
1060     return SExt;
1061
1062   // Absent any other information, use the zext cast value.
1063   return ZExt;
1064 }
1065
1066 /// CollectAddOperandsWithScales - Process the given Ops list, which is
1067 /// a list of operands to be added under the given scale, update the given
1068 /// map. This is a helper function for getAddRecExpr. As an example of
1069 /// what it does, given a sequence of operands that would form an add
1070 /// expression like this:
1071 ///
1072 ///    m + n + 13 + (A * (o + p + (B * q + m + 29))) + r + (-1 * r)
1073 ///
1074 /// where A and B are constants, update the map with these values:
1075 ///
1076 ///    (m, 1+A*B), (n, 1), (o, A), (p, A), (q, A*B), (r, 0)
1077 ///
1078 /// and add 13 + A*B*29 to AccumulatedConstant.
1079 /// This will allow getAddRecExpr to produce this:
1080 ///
1081 ///    13+A*B*29 + n + (m * (1+A*B)) + ((o + p) * A) + (q * A*B)
1082 ///
1083 /// This form often exposes folding opportunities that are hidden in
1084 /// the original operand list.
1085 ///
1086 /// Return true iff it appears that any interesting folding opportunities
1087 /// may be exposed. This helps getAddRecExpr short-circuit extra work in
1088 /// the common case where no interesting opportunities are present, and
1089 /// is also used as a check to avoid infinite recursion.
1090 ///
1091 static bool
1092 CollectAddOperandsWithScales(DenseMap<const SCEV *, APInt> &M,
1093                              SmallVector<const SCEV *, 8> &NewOps,
1094                              APInt &AccumulatedConstant,
1095                              const SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
1096                              const APInt &Scale,
1097                              ScalarEvolution &SE) {
1098   bool Interesting = false;
1099
1100   // Iterate over the add operands.
1101   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1102     const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[i]);
1103     if (Mul && isa<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))) {
1104       APInt NewScale =
1105         Scale * cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))->getValue()->getValue();
1106       if (Mul->getNumOperands() == 2 && isa<SCEVAddExpr>(Mul->getOperand(1))) {
1107         // A multiplication of a constant with another add; recurse.
1108         Interesting |=
1109           CollectAddOperandsWithScales(M, NewOps, AccumulatedConstant,
1110                                        cast<SCEVAddExpr>(Mul->getOperand(1))
1111                                          ->getOperands(),
1112                                        NewScale, SE);
1113       } else {
1114         // A multiplication of a constant with some other value. Update
1115         // the map.
1116         SmallVector<const SCEV *, 4> MulOps(Mul->op_begin()+1, Mul->op_end());
1117         const SCEV *Key = SE.getMulExpr(MulOps);
1118         std::pair<DenseMap<const SCEV *, APInt>::iterator, bool> Pair =
1119           M.insert(std::make_pair(Key, NewScale));
1120         if (Pair.second) {
1121           NewOps.push_back(Pair.first->first);
1122         } else {
1123           Pair.first->second += NewScale;
1124           // The map already had an entry for this value, which may indicate
1125           // a folding opportunity.
1126           Interesting = true;
1127         }
1128       }
1129     } else if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[i])) {
1130       // Pull a buried constant out to the outside.
1131       if (Scale != 1 || AccumulatedConstant != 0 || C->isZero())
1132         Interesting = true;
1133       AccumulatedConstant += Scale * C->getValue()->getValue();
1134     } else {
1135       // An ordinary operand. Update the map.
1136       std::pair<DenseMap<const SCEV *, APInt>::iterator, bool> Pair =
1137         M.insert(std::make_pair(Ops[i], Scale));
1138       if (Pair.second) {
1139         NewOps.push_back(Pair.first->first);
1140       } else {
1141         Pair.first->second += Scale;
1142         // The map already had an entry for this value, which may indicate
1143         // a folding opportunity.
1144         Interesting = true;
1145       }
1146     }
1147   }
1148
1149   return Interesting;
1150 }
1151
1152 namespace {
1153   struct APIntCompare {
1154     bool operator()(const APInt &LHS, const APInt &RHS) const {
1155       return LHS.ult(RHS);
1156     }
1157   };
1158 }
1159
1160 /// getAddExpr - Get a canonical add expression, or something simpler if
1161 /// possible.
1162 const SCEV *ScalarEvolution::getAddExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops) {
1163   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
1164   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1165 #ifndef NDEBUG
1166   for (unsigned i = 1, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1167     assert(getEffectiveSCEVType(Ops[i]->getType()) ==
1168            getEffectiveSCEVType(Ops[0]->getType()) &&
1169            "SCEVAddExpr operand types don't match!");
1170 #endif
1171
1172   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1173   GroupByComplexity(Ops, LI);
1174
1175   // If there are any constants, fold them together.
1176   unsigned Idx = 0;
1177   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1178     ++Idx;
1179     assert(Idx < Ops.size());
1180     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1181       // We found two constants, fold them together!
1182       Ops[0] = getConstant(LHSC->getValue()->getValue() +
1183                            RHSC->getValue()->getValue());
1184       if (Ops.size() == 2) return Ops[0];
1185       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1186       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1187     }
1188
1189     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
1190     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
1191       Ops.erase(Ops.begin());
1192       --Idx;
1193     }
1194   }
1195
1196   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1197
1198   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1199   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
1200   // list, these values are required to be adjacent.
1201   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
1202   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1203     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
1204       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
1205       // remaining values to the result.
1206       const SCEV *Two = getIntegerSCEV(2, Ty);
1207       const SCEV *Mul = getMulExpr(Ops[i], Two);
1208       if (Ops.size() == 2)
1209         return Mul;
1210       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1211       Ops.push_back(Mul);
1212       return getAddExpr(Ops);
1213     }
1214
1215   // Check for truncates. If all the operands are truncated from the same
1216   // type, see if factoring out the truncate would permit the result to be
1217   // folded. eg., trunc(x) + m*trunc(n) --> trunc(x + trunc(m)*n)
1218   // if the contents of the resulting outer trunc fold to something simple.
1219   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVTruncateExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1220     const SCEVTruncateExpr *Trunc = cast<SCEVTruncateExpr>(Ops[Idx]);
1221     const Type *DstType = Trunc->getType();
1222     const Type *SrcType = Trunc->getOperand()->getType();
1223     SmallVector<const SCEV *, 8> LargeOps;
1224     bool Ok = true;
1225     // Check all the operands to see if they can be represented in the
1226     // source type of the truncate.
1227     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1228       if (const SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(Ops[i])) {
1229         if (T->getOperand()->getType() != SrcType) {
1230           Ok = false;
1231           break;
1232         }
1233         LargeOps.push_back(T->getOperand());
1234       } else if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[i])) {
1235         // This could be either sign or zero extension, but sign extension
1236         // is much more likely to be foldable here.
1237         LargeOps.push_back(getSignExtendExpr(C, SrcType));
1238       } else if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[i])) {
1239         SmallVector<const SCEV *, 8> LargeMulOps;
1240         for (unsigned j = 0, f = M->getNumOperands(); j != f && Ok; ++j) {
1241           if (const SCEVTruncateExpr *T =
1242                 dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(M->getOperand(j))) {
1243             if (T->getOperand()->getType() != SrcType) {
1244               Ok = false;
1245               break;
1246             }
1247             LargeMulOps.push_back(T->getOperand());
1248           } else if (const SCEVConstant *C =
1249                        dyn_cast<SCEVConstant>(M->getOperand(j))) {
1250             // This could be either sign or zero extension, but sign extension
1251             // is much more likely to be foldable here.
1252             LargeMulOps.push_back(getSignExtendExpr(C, SrcType));
1253           } else {
1254             Ok = false;
1255             break;
1256           }
1257         }
1258         if (Ok)
1259           LargeOps.push_back(getMulExpr(LargeMulOps));
1260       } else {
1261         Ok = false;
1262         break;
1263       }
1264     }
1265     if (Ok) {
1266       // Evaluate the expression in the larger type.
1267       const SCEV *Fold = getAddExpr(LargeOps);
1268       // If it folds to something simple, use it. Otherwise, don't.
1269       if (isa<SCEVConstant>(Fold) || isa<SCEVUnknown>(Fold))
1270         return getTruncateExpr(Fold, DstType);
1271     }
1272   }
1273
1274   // Skip past any other cast SCEVs.
1275   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddExpr)
1276     ++Idx;
1277
1278   // If there are add operands they would be next.
1279   if (Idx < Ops.size()) {
1280     bool DeletedAdd = false;
1281     while (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
1282       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
1283       // list.
1284       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
1285       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1286       DeletedAdd = true;
1287     }
1288
1289     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
1290     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
1291     // any operands we just aquired.
1292     if (DeletedAdd)
1293       return getAddExpr(Ops);
1294   }
1295
1296   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
1297   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
1298     ++Idx;
1299
1300   // Check to see if there are any folding opportunities present with
1301   // operands multiplied by constant values.
1302   if (Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
1303     uint64_t BitWidth = getTypeSizeInBits(Ty);
1304     DenseMap<const SCEV *, APInt> M;
1305     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps;
1306     APInt AccumulatedConstant(BitWidth, 0);
1307     if (CollectAddOperandsWithScales(M, NewOps, AccumulatedConstant,
1308                                      Ops, APInt(BitWidth, 1), *this)) {
1309       // Some interesting folding opportunity is present, so its worthwhile to
1310       // re-generate the operands list. Group the operands by constant scale,
1311       // to avoid multiplying by the same constant scale multiple times.
1312       std::map<APInt, SmallVector<const SCEV *, 4>, APIntCompare> MulOpLists;
1313       for (SmallVector<const SCEV *, 8>::iterator I = NewOps.begin(),
1314            E = NewOps.end(); I != E; ++I)
1315         MulOpLists[M.find(*I)->second].push_back(*I);
1316       // Re-generate the operands list.
1317       Ops.clear();
1318       if (AccumulatedConstant != 0)
1319         Ops.push_back(getConstant(AccumulatedConstant));
1320       for (std::map<APInt, SmallVector<const SCEV *, 4>, APIntCompare>::iterator
1321            I = MulOpLists.begin(), E = MulOpLists.end(); I != E; ++I)
1322         if (I->first != 0)
1323           Ops.push_back(getMulExpr(getConstant(I->first),
1324                                    getAddExpr(I->second)));
1325       if (Ops.empty())
1326         return getIntegerSCEV(0, Ty);
1327       if (Ops.size() == 1)
1328         return Ops[0];
1329       return getAddExpr(Ops);
1330     }
1331   }
1332
1333   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
1334   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
1335   // the multiply.
1336   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1337     const SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
1338     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
1339       const SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
1340       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
1341         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(Ops[AddOp])) {
1342           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
1343           const SCEV *InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
1344           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
1345             // If the multiply has more than two operands, we must get the
1346             // Y*Z term.
1347             SmallVector<const SCEV *, 4> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
1348             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
1349             InnerMul = getMulExpr(MulOps);
1350           }
1351           const SCEV *One = getIntegerSCEV(1, Ty);
1352           const SCEV *AddOne = getAddExpr(InnerMul, One);
1353           const SCEV *OuterMul = getMulExpr(AddOne, Ops[AddOp]);
1354           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
1355           if (AddOp < Idx) {
1356             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
1357             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
1358           } else {
1359             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1360             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
1361           }
1362           Ops.push_back(OuterMul);
1363           return getAddExpr(Ops);
1364         }
1365
1366       // Check this multiply against other multiplies being added together.
1367       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
1368            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
1369            ++OtherMulIdx) {
1370         const SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
1371         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
1372         // together.
1373         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
1374              OMulOp != e; ++OMulOp)
1375           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
1376             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
1377             const SCEV *InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
1378             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
1379               SmallVector<const SCEV *, 4> MulOps(Mul->op_begin(),
1380                                                   Mul->op_end());
1381               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
1382               InnerMul1 = getMulExpr(MulOps);
1383             }
1384             const SCEV *InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
1385             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
1386               SmallVector<const SCEV *, 4> MulOps(OtherMul->op_begin(),
1387                                                   OtherMul->op_end());
1388               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
1389               InnerMul2 = getMulExpr(MulOps);
1390             }
1391             const SCEV *InnerMulSum = getAddExpr(InnerMul1,InnerMul2);
1392             const SCEV *OuterMul = getMulExpr(MulOpSCEV, InnerMulSum);
1393             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
1394             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1395             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
1396             Ops.push_back(OuterMul);
1397             return getAddExpr(Ops);
1398           }
1399       }
1400     }
1401   }
1402
1403   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
1404   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
1405   // recurrence.
1406   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
1407     ++Idx;
1408
1409   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
1410   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1411     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
1412     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
1413     SmallVector<const SCEV *, 8> LIOps;
1414     const SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
1415     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1416       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1417         LIOps.push_back(Ops[i]);
1418         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1419         --i; --e;
1420       }
1421
1422     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1423     if (!LIOps.empty()) {
1424       //  NLI + LI + {Start,+,Step}  -->  NLI + {LI+Start,+,Step}
1425       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
1426
1427       SmallVector<const SCEV *, 4> AddRecOps(AddRec->op_begin(),
1428                                            AddRec->op_end());
1429       AddRecOps[0] = getAddExpr(LIOps);
1430
1431       const SCEV *NewRec = getAddRecExpr(AddRecOps, AddRec->getLoop());
1432       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1433       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1434
1435       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
1436       for (unsigned i = 0;; ++i)
1437         if (Ops[i] == AddRec) {
1438           Ops[i] = NewRec;
1439           break;
1440         }
1441       return getAddExpr(Ops);
1442     }
1443
1444     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1445     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1446     // added together.  If so, we can fold them.
1447     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1448          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1449       if (OtherIdx != Idx) {
1450         const SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1451         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1452           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
1453           SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps(AddRec->op_begin(),
1454                                               AddRec->op_end());
1455           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1456             if (i >= NewOps.size()) {
1457               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
1458                             OtherAddRec->op_end());
1459               break;
1460             }
1461             NewOps[i] = getAddExpr(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
1462           }
1463           const SCEV *NewAddRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1464
1465           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1466
1467           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1468           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1469           Ops.push_back(NewAddRec);
1470           return getAddExpr(Ops);
1471         }
1472       }
1473
1474     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1475     // next one.
1476   }
1477
1478   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
1479   // already have one, otherwise create a new one.
1480   FoldingSetNodeID ID;
1481   ID.AddInteger(scAddExpr);
1482   ID.AddInteger(Ops.size());
1483   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1484     ID.AddPointer(Ops[i]);
1485   void *IP = 0;
1486   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
1487   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVAddExpr>();
1488   new (S) SCEVAddExpr(Ops);
1489   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
1490   return S;
1491 }
1492
1493
1494 /// getMulExpr - Get a canonical multiply expression, or something simpler if
1495 /// possible.
1496 const SCEV *ScalarEvolution::getMulExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops) {
1497   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
1498 #ifndef NDEBUG
1499   for (unsigned i = 1, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1500     assert(getEffectiveSCEVType(Ops[i]->getType()) ==
1501            getEffectiveSCEVType(Ops[0]->getType()) &&
1502            "SCEVMulExpr operand types don't match!");
1503 #endif
1504
1505   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1506   GroupByComplexity(Ops, LI);
1507
1508   // If there are any constants, fold them together.
1509   unsigned Idx = 0;
1510   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1511
1512     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
1513     if (Ops.size() == 2)
1514       if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
1515         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
1516             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
1517           return getAddExpr(getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(0)),
1518                             getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(1)));
1519
1520
1521     ++Idx;
1522     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1523       // We found two constants, fold them together!
1524       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() *
1525                                            RHSC->getValue()->getValue());
1526       Ops[0] = getConstant(Fold);
1527       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1528       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1529       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1530     }
1531
1532     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
1533     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
1534       Ops.erase(Ops.begin());
1535       --Idx;
1536     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
1537       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
1538       return Ops[0];
1539     }
1540   }
1541
1542   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
1543   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
1544     ++Idx;
1545
1546   if (Ops.size() == 1)
1547     return Ops[0];
1548
1549   // If there are mul operands inline them all into this expression.
1550   if (Idx < Ops.size()) {
1551     bool DeletedMul = false;
1552     while (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
1553       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
1554       // list.
1555       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
1556       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1557       DeletedMul = true;
1558     }
1559
1560     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
1561     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
1562     // any operands we just aquired.
1563     if (DeletedMul)
1564       return getMulExpr(Ops);
1565   }
1566
1567   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
1568   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
1569   // recurrence.
1570   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
1571     ++Idx;
1572
1573   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
1574   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1575     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
1576     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
1577     SmallVector<const SCEV *, 8> LIOps;
1578     const SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
1579     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1580       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1581         LIOps.push_back(Ops[i]);
1582         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1583         --i; --e;
1584       }
1585
1586     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1587     if (!LIOps.empty()) {
1588       //  NLI * LI * {Start,+,Step}  -->  NLI * {LI*Start,+,LI*Step}
1589       SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps;
1590       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
1591       if (LIOps.size() == 1) {
1592         const SCEV *Scale = LIOps[0];
1593         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
1594           NewOps.push_back(getMulExpr(Scale, AddRec->getOperand(i)));
1595       } else {
1596         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1597           SmallVector<const SCEV *, 4> MulOps(LIOps.begin(), LIOps.end());
1598           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
1599           NewOps.push_back(getMulExpr(MulOps));
1600         }
1601       }
1602
1603       const SCEV *NewRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1604
1605       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1606       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1607
1608       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
1609       for (unsigned i = 0;; ++i)
1610         if (Ops[i] == AddRec) {
1611           Ops[i] = NewRec;
1612           break;
1613         }
1614       return getMulExpr(Ops);
1615     }
1616
1617     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1618     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1619     // multiplied together.  If so, we can fold them.
1620     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1621          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1622       if (OtherIdx != Idx) {
1623         const SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1624         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1625           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
1626           const SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
1627           const SCEV *NewStart = getMulExpr(F->getStart(),
1628                                                  G->getStart());
1629           const SCEV *B = F->getStepRecurrence(*this);
1630           const SCEV *D = G->getStepRecurrence(*this);
1631           const SCEV *NewStep = getAddExpr(getMulExpr(F, D),
1632                                           getMulExpr(G, B),
1633                                           getMulExpr(B, D));
1634           const SCEV *NewAddRec = getAddRecExpr(NewStart, NewStep,
1635                                                F->getLoop());
1636           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1637
1638           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1639           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1640           Ops.push_back(NewAddRec);
1641           return getMulExpr(Ops);
1642         }
1643       }
1644
1645     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1646     // next one.
1647   }
1648
1649   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
1650   // already have one, otherwise create a new one.
1651   FoldingSetNodeID ID;
1652   ID.AddInteger(scMulExpr);
1653   ID.AddInteger(Ops.size());
1654   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1655     ID.AddPointer(Ops[i]);
1656   void *IP = 0;
1657   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
1658   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVMulExpr>();
1659   new (S) SCEVMulExpr(Ops);
1660   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
1661   return S;
1662 }
1663
1664 /// getUDivExpr - Get a canonical multiply expression, or something simpler if
1665 /// possible.
1666 const SCEV *ScalarEvolution::getUDivExpr(const SCEV *LHS,
1667                                          const SCEV *RHS) {
1668   assert(getEffectiveSCEVType(LHS->getType()) ==
1669          getEffectiveSCEVType(RHS->getType()) &&
1670          "SCEVUDivExpr operand types don't match!");
1671
1672   if (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1673     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1674       return LHS;                            // X udiv 1 --> x
1675     if (RHSC->isZero())
1676       return getIntegerSCEV(0, LHS->getType()); // value is undefined
1677
1678     // Determine if the division can be folded into the operands of
1679     // its operands.
1680     // TODO: Generalize this to non-constants by using known-bits information.
1681     const Type *Ty = LHS->getType();
1682     unsigned LZ = RHSC->getValue()->getValue().countLeadingZeros();
1683     unsigned MaxShiftAmt = getTypeSizeInBits(Ty) - LZ;
1684     // For non-power-of-two values, effectively round the value up to the
1685     // nearest power of two.
1686     if (!RHSC->getValue()->getValue().isPowerOf2())
1687       ++MaxShiftAmt;
1688     const IntegerType *ExtTy =
1689       IntegerType::get(getTypeSizeInBits(Ty) + MaxShiftAmt);
1690     // {X,+,N}/C --> {X/C,+,N/C} if safe and N/C can be folded.
1691     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1692       if (const SCEVConstant *Step =
1693             dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*this)))
1694         if (!Step->getValue()->getValue()
1695               .urem(RHSC->getValue()->getValue()) &&
1696             getZeroExtendExpr(AR, ExtTy) ==
1697             getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(AR->getStart(), ExtTy),
1698                           getZeroExtendExpr(Step, ExtTy),
1699                           AR->getLoop())) {
1700           SmallVector<const SCEV *, 4> Operands;
1701           for (unsigned i = 0, e = AR->getNumOperands(); i != e; ++i)
1702             Operands.push_back(getUDivExpr(AR->getOperand(i), RHS));
1703           return getAddRecExpr(Operands, AR->getLoop());
1704         }
1705     // (A*B)/C --> A*(B/C) if safe and B/C can be folded.
1706     if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(LHS)) {
1707       SmallVector<const SCEV *, 4> Operands;
1708       for (unsigned i = 0, e = M->getNumOperands(); i != e; ++i)
1709         Operands.push_back(getZeroExtendExpr(M->getOperand(i), ExtTy));
1710       if (getZeroExtendExpr(M, ExtTy) == getMulExpr(Operands))
1711         // Find an operand that's safely divisible.
1712         for (unsigned i = 0, e = M->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1713           const SCEV *Op = M->getOperand(i);
1714           const SCEV *Div = getUDivExpr(Op, RHSC);
1715           if (!isa<SCEVUDivExpr>(Div) && getMulExpr(Div, RHSC) == Op) {
1716             const SmallVectorImpl<const SCEV *> &MOperands = M->getOperands();
1717             Operands = SmallVector<const SCEV *, 4>(MOperands.begin(),
1718                                                   MOperands.end());
1719             Operands[i] = Div;
1720             return getMulExpr(Operands);
1721           }
1722         }
1723     }
1724     // (A+B)/C --> (A/C + B/C) if safe and A/C and B/C can be folded.
1725     if (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS)) {
1726       SmallVector<const SCEV *, 4> Operands;
1727       for (unsigned i = 0, e = A->getNumOperands(); i != e; ++i)
1728         Operands.push_back(getZeroExtendExpr(A->getOperand(i), ExtTy));
1729       if (getZeroExtendExpr(A, ExtTy) == getAddExpr(Operands)) {
1730         Operands.clear();
1731         for (unsigned i = 0, e = A->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1732           const SCEV *Op = getUDivExpr(A->getOperand(i), RHS);
1733           if (isa<SCEVUDivExpr>(Op) || getMulExpr(Op, RHS) != A->getOperand(i))
1734             break;
1735           Operands.push_back(Op);
1736         }
1737         if (Operands.size() == A->getNumOperands())
1738           return getAddExpr(Operands);
1739       }
1740     }
1741
1742     // Fold if both operands are constant.
1743     if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1744       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1745       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1746       return getConstant(cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getUDiv(LHSCV,
1747                                                                  RHSCV)));
1748     }
1749   }
1750
1751   FoldingSetNodeID ID;
1752   ID.AddInteger(scUDivExpr);
1753   ID.AddPointer(LHS);
1754   ID.AddPointer(RHS);
1755   void *IP = 0;
1756   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
1757   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVUDivExpr>();
1758   new (S) SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1759   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
1760   return S;
1761 }
1762
1763
1764 /// getAddRecExpr - Get an add recurrence expression for the specified loop.
1765 /// Simplify the expression as much as possible.
1766 const SCEV *ScalarEvolution::getAddRecExpr(const SCEV *Start,
1767                                const SCEV *Step, const Loop *L) {
1768   SmallVector<const SCEV *, 4> Operands;
1769   Operands.push_back(Start);
1770   if (const SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1771     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1772       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1773                       StepChrec->op_end());
1774       return getAddRecExpr(Operands, L);
1775     }
1776
1777   Operands.push_back(Step);
1778   return getAddRecExpr(Operands, L);
1779 }
1780
1781 /// getAddRecExpr - Get an add recurrence expression for the specified loop.
1782 /// Simplify the expression as much as possible.
1783 const SCEV *
1784 ScalarEvolution::getAddRecExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands,
1785                                const Loop *L) {
1786   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1787 #ifndef NDEBUG
1788   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
1789     assert(getEffectiveSCEVType(Operands[i]->getType()) ==
1790            getEffectiveSCEVType(Operands[0]->getType()) &&
1791            "SCEVAddRecExpr operand types don't match!");
1792 #endif
1793
1794   if (Operands.back()->isZero()) {
1795     Operands.pop_back();
1796     return getAddRecExpr(Operands, L);             // {X,+,0}  -->  X
1797   }
1798
1799   // Canonicalize nested AddRecs in by nesting them in order of loop depth.
1800   if (const SCEVAddRecExpr *NestedAR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Operands[0])) {
1801     const Loop* NestedLoop = NestedAR->getLoop();
1802     if (L->getLoopDepth() < NestedLoop->getLoopDepth()) {
1803       SmallVector<const SCEV *, 4> NestedOperands(NestedAR->op_begin(),
1804                                                 NestedAR->op_end());
1805       Operands[0] = NestedAR->getStart();
1806       // AddRecs require their operands be loop-invariant with respect to their
1807       // loops. Don't perform this transformation if it would break this
1808       // requirement.
1809       bool AllInvariant = true;
1810       for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
1811         if (!Operands[i]->isLoopInvariant(L)) {
1812           AllInvariant = false;
1813           break;
1814         }
1815       if (AllInvariant) {
1816         NestedOperands[0] = getAddRecExpr(Operands, L);
1817         AllInvariant = true;
1818         for (unsigned i = 0, e = NestedOperands.size(); i != e; ++i)
1819           if (!NestedOperands[i]->isLoopInvariant(NestedLoop)) {
1820             AllInvariant = false;
1821             break;
1822           }
1823         if (AllInvariant)
1824           // Ok, both add recurrences are valid after the transformation.
1825           return getAddRecExpr(NestedOperands, NestedLoop);
1826       }
1827       // Reset Operands to its original state.
1828       Operands[0] = NestedAR;
1829     }
1830   }
1831
1832   FoldingSetNodeID ID;
1833   ID.AddInteger(scAddRecExpr);
1834   ID.AddInteger(Operands.size());
1835   for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
1836     ID.AddPointer(Operands[i]);
1837   ID.AddPointer(L);
1838   void *IP = 0;
1839   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
1840   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVAddRecExpr>();
1841   new (S) SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1842   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
1843   return S;
1844 }
1845
1846 const SCEV *ScalarEvolution::getSMaxExpr(const SCEV *LHS,
1847                                          const SCEV *RHS) {
1848   SmallVector<const SCEV *, 2> Ops;
1849   Ops.push_back(LHS);
1850   Ops.push_back(RHS);
1851   return getSMaxExpr(Ops);
1852 }
1853
1854 const SCEV *
1855 ScalarEvolution::getSMaxExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops) {
1856   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty smax!");
1857   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1858 #ifndef NDEBUG
1859   for (unsigned i = 1, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1860     assert(getEffectiveSCEVType(Ops[i]->getType()) ==
1861            getEffectiveSCEVType(Ops[0]->getType()) &&
1862            "SCEVSMaxExpr operand types don't match!");
1863 #endif
1864
1865   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1866   GroupByComplexity(Ops, LI);
1867
1868   // If there are any constants, fold them together.
1869   unsigned Idx = 0;
1870   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1871     ++Idx;
1872     assert(Idx < Ops.size());
1873     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1874       // We found two constants, fold them together!
1875       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1876                               APIntOps::smax(LHSC->getValue()->getValue(),
1877                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1878       Ops[0] = getConstant(Fold);
1879       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1880       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1881       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1882     }
1883
1884     // If we are left with a constant minimum-int, strip it off.
1885     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(true)) {
1886       Ops.erase(Ops.begin());
1887       --Idx;
1888     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMaxValue(true)) {
1889       // If we have an smax with a constant maximum-int, it will always be
1890       // maximum-int.
1891       return Ops[0];
1892     }
1893   }
1894
1895   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1896
1897   // Find the first SMax
1898   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scSMaxExpr)
1899     ++Idx;
1900
1901   // Check to see if one of the operands is an SMax. If so, expand its operands
1902   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1903   if (Idx < Ops.size()) {
1904     bool DeletedSMax = false;
1905     while (const SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1906       Ops.insert(Ops.end(), SMax->op_begin(), SMax->op_end());
1907       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1908       DeletedSMax = true;
1909     }
1910
1911     if (DeletedSMax)
1912       return getSMaxExpr(Ops);
1913   }
1914
1915   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1916   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1917   // be adjacent.
1918   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1919     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X smax Y smax Y  -->  X smax Y
1920       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1921       --i; --e;
1922     }
1923
1924   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1925
1926   assert(!Ops.empty() && "Reduced smax down to nothing!");
1927
1928   // Okay, it looks like we really DO need an smax expr.  Check to see if we
1929   // already have one, otherwise create a new one.
1930   FoldingSetNodeID ID;
1931   ID.AddInteger(scSMaxExpr);
1932   ID.AddInteger(Ops.size());
1933   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1934     ID.AddPointer(Ops[i]);
1935   void *IP = 0;
1936   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
1937   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVSMaxExpr>();
1938   new (S) SCEVSMaxExpr(Ops);
1939   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
1940   return S;
1941 }
1942
1943 const SCEV *ScalarEvolution::getUMaxExpr(const SCEV *LHS,
1944                                          const SCEV *RHS) {
1945   SmallVector<const SCEV *, 2> Ops;
1946   Ops.push_back(LHS);
1947   Ops.push_back(RHS);
1948   return getUMaxExpr(Ops);
1949 }
1950
1951 const SCEV *
1952 ScalarEvolution::getUMaxExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops) {
1953   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty umax!");
1954   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1955 #ifndef NDEBUG
1956   for (unsigned i = 1, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1957     assert(getEffectiveSCEVType(Ops[i]->getType()) ==
1958            getEffectiveSCEVType(Ops[0]->getType()) &&
1959            "SCEVUMaxExpr operand types don't match!");
1960 #endif
1961
1962   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1963   GroupByComplexity(Ops, LI);
1964
1965   // If there are any constants, fold them together.
1966   unsigned Idx = 0;
1967   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1968     ++Idx;
1969     assert(Idx < Ops.size());
1970     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1971       // We found two constants, fold them together!
1972       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1973                               APIntOps::umax(LHSC->getValue()->getValue(),
1974                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1975       Ops[0] = getConstant(Fold);
1976       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1977       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1978       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1979     }
1980
1981     // If we are left with a constant minimum-int, strip it off.
1982     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(false)) {
1983       Ops.erase(Ops.begin());
1984       --Idx;
1985     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMaxValue(false)) {
1986       // If we have an umax with a constant maximum-int, it will always be
1987       // maximum-int.
1988       return Ops[0];
1989     }
1990   }
1991
1992   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1993
1994   // Find the first UMax
1995   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scUMaxExpr)
1996     ++Idx;
1997
1998   // Check to see if one of the operands is a UMax. If so, expand its operands
1999   // onto our operand list, and recurse to simplify.
2000   if (Idx < Ops.size()) {
2001     bool DeletedUMax = false;
2002     while (const SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(Ops[Idx])) {
2003       Ops.insert(Ops.end(), UMax->op_begin(), UMax->op_end());
2004       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
2005       DeletedUMax = true;
2006     }
2007
2008     if (DeletedUMax)
2009       return getUMaxExpr(Ops);
2010   }
2011
2012   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
2013   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
2014   // be adjacent.
2015   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
2016     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X umax Y umax Y  -->  X umax Y
2017       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
2018       --i; --e;
2019     }
2020
2021   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
2022
2023   assert(!Ops.empty() && "Reduced umax down to nothing!");
2024
2025   // Okay, it looks like we really DO need a umax expr.  Check to see if we
2026   // already have one, otherwise create a new one.
2027   FoldingSetNodeID ID;
2028   ID.AddInteger(scUMaxExpr);
2029   ID.AddInteger(Ops.size());
2030   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
2031     ID.AddPointer(Ops[i]);
2032   void *IP = 0;
2033   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
2034   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVUMaxExpr>();
2035   new (S) SCEVUMaxExpr(Ops);
2036   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
2037   return S;
2038 }
2039
2040 const SCEV *ScalarEvolution::getSMinExpr(const SCEV *LHS,
2041                                          const SCEV *RHS) {
2042   // ~smax(~x, ~y) == smin(x, y).
2043   return getNotSCEV(getSMaxExpr(getNotSCEV(LHS), getNotSCEV(RHS)));
2044 }
2045
2046 const SCEV *ScalarEvolution::getUMinExpr(const SCEV *LHS,
2047                                          const SCEV *RHS) {
2048   // ~umax(~x, ~y) == umin(x, y)
2049   return getNotSCEV(getUMaxExpr(getNotSCEV(LHS), getNotSCEV(RHS)));
2050 }
2051
2052 const SCEV *ScalarEvolution::getUnknown(Value *V) {
2053   // Don't attempt to do anything other than create a SCEVUnknown object
2054   // here.  createSCEV only calls getUnknown after checking for all other
2055   // interesting possibilities, and any other code that calls getUnknown
2056   // is doing so in order to hide a value from SCEV canonicalization.
2057
2058   FoldingSetNodeID ID;
2059   ID.AddInteger(scUnknown);
2060   ID.AddPointer(V);
2061   void *IP = 0;
2062   if (const SCEV *S = UniqueSCEVs.FindNodeOrInsertPos(ID, IP)) return S;
2063   SCEV *S = SCEVAllocator.Allocate<SCEVUnknown>();
2064   new (S) SCEVUnknown(V);
2065   UniqueSCEVs.InsertNode(S, IP);
2066   return S;
2067 }
2068
2069 //===----------------------------------------------------------------------===//
2070 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
2071 //
2072
2073 /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
2074 /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
2075 /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
2076 /// has access to target-specific information.
2077 bool ScalarEvolution::isSCEVable(const Type *Ty) const {
2078   // Integers are always SCEVable.
2079   if (Ty->isInteger())
2080     return true;
2081
2082   // Pointers are SCEVable if TargetData information is available
2083   // to provide pointer size information.
2084   if (isa<PointerType>(Ty))
2085     return TD != NULL;
2086
2087   // Otherwise it's not SCEVable.
2088   return false;
2089 }
2090
2091 /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
2092 /// for which isSCEVable must return true.
2093 uint64_t ScalarEvolution::getTypeSizeInBits(const Type *Ty) const {
2094   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
2095
2096   // If we have a TargetData, use it!
2097   if (TD)
2098     return TD->getTypeSizeInBits(Ty);
2099
2100   // Otherwise, we support only integer types.
2101   assert(Ty->isInteger() && "isSCEVable permitted a non-SCEVable type!");
2102   return Ty->getPrimitiveSizeInBits();
2103 }
2104
2105 /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
2106 /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
2107 /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
2108 /// this is the pointer-sized integer type.
2109 const Type *ScalarEvolution::getEffectiveSCEVType(const Type *Ty) const {
2110   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
2111
2112   if (Ty->isInteger())
2113     return Ty;
2114
2115   assert(isa<PointerType>(Ty) && "Unexpected non-pointer non-integer type!");
2116   return TD->getIntPtrType();
2117 }
2118
2119 const SCEV *ScalarEvolution::getCouldNotCompute() {
2120   return &CouldNotCompute;
2121 }
2122
2123 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
2124 /// expression and create a new one.
2125 const SCEV *ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) {
2126   assert(isSCEVable(V->getType()) && "Value is not SCEVable!");
2127
2128   std::map<SCEVCallbackVH, const SCEV *>::iterator I = Scalars.find(V);
2129   if (I != Scalars.end()) return I->second;
2130   const SCEV *S = createSCEV(V);
2131   Scalars.insert(std::make_pair(SCEVCallbackVH(V, this), S));
2132   return S;
2133 }
2134
2135 /// getIntegerSCEV - Given a SCEVable type, create a constant for the
2136 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
2137 const SCEV *ScalarEvolution::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
2138   const IntegerType *ITy = cast<IntegerType>(getEffectiveSCEVType(Ty));
2139   return getConstant(ConstantInt::get(ITy, Val));
2140 }
2141
2142 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
2143 ///
2144 const SCEV *ScalarEvolution::getNegativeSCEV(const SCEV *V) {
2145   if (const SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
2146     return getConstant(cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue())));
2147
2148   const Type *Ty = V->getType();
2149   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
2150   return getMulExpr(V, getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)));
2151 }
2152
2153 /// getNotSCEV - Return a SCEV corresponding to ~V = -1-V
2154 const SCEV *ScalarEvolution::getNotSCEV(const SCEV *V) {
2155   if (const SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
2156     return getConstant(cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getNot(VC->getValue())));
2157
2158   const Type *Ty = V->getType();
2159   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
2160   const SCEV *AllOnes = getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty));
2161   return getMinusSCEV(AllOnes, V);
2162 }
2163
2164 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
2165 ///
2166 const SCEV *ScalarEvolution::getMinusSCEV(const SCEV *LHS,
2167                                           const SCEV *RHS) {
2168   // X - Y --> X + -Y
2169   return getAddExpr(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
2170 }
2171
2172 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
2173 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
2174 /// extended.
2175 const SCEV *
2176 ScalarEvolution::getTruncateOrZeroExtend(const SCEV *V,
2177                                          const Type *Ty) {
2178   const Type *SrcTy = V->getType();
2179   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
2180          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
2181          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
2182   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
2183     return V;  // No conversion
2184   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
2185     return getTruncateExpr(V, Ty);
2186   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
2187 }
2188
2189 /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
2190 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is sign
2191 /// extended.
2192 const SCEV *
2193 ScalarEvolution::getTruncateOrSignExtend(const SCEV *V,
2194                                          const Type *Ty) {
2195   const Type *SrcTy = V->getType();
2196   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
2197          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
2198          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
2199   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
2200     return V;  // No conversion
2201   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
2202     return getTruncateExpr(V, Ty);
2203   return getSignExtendExpr(V, Ty);
2204 }
2205
2206 /// getNoopOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
2207 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
2208 /// extended.  The conversion must not be narrowing.
2209 const SCEV *
2210 ScalarEvolution::getNoopOrZeroExtend(const SCEV *V, const Type *Ty) {
2211   const Type *SrcTy = V->getType();
2212   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
2213          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
2214          "Cannot noop or zero extend with non-integer arguments!");
2215   assert(getTypeSizeInBits(SrcTy) <= getTypeSizeInBits(Ty) &&
2216          "getNoopOrZeroExtend cannot truncate!");
2217   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
2218     return V;  // No conversion
2219   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
2220 }
2221
2222 /// getNoopOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
2223 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is sign
2224 /// extended.  The conversion must not be narrowing.
2225 const SCEV *
2226 ScalarEvolution::getNoopOrSignExtend(const SCEV *V, const Type *Ty) {
2227   const Type *SrcTy = V->getType();
2228   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
2229          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
2230          "Cannot noop or sign extend with non-integer arguments!");
2231   assert(getTypeSizeInBits(SrcTy) <= getTypeSizeInBits(Ty) &&
2232          "getNoopOrSignExtend cannot truncate!");
2233   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
2234     return V;  // No conversion
2235   return getSignExtendExpr(V, Ty);
2236 }
2237
2238 /// getNoopOrAnyExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
2239 /// the input value to the specified type. If the type must be extended,
2240 /// it is extended with unspecified bits. The conversion must not be
2241 /// narrowing.
2242 const SCEV *
2243 ScalarEvolution::getNoopOrAnyExtend(const SCEV *V, const Type *Ty) {
2244   const Type *SrcTy = V->getType();
2245   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
2246          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
2247          "Cannot noop or any extend with non-integer arguments!");
2248   assert(getTypeSizeInBits(SrcTy) <= getTypeSizeInBits(Ty) &&
2249          "getNoopOrAnyExtend cannot truncate!");
2250   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
2251     return V;  // No conversion
2252   return getAnyExtendExpr(V, Ty);
2253 }
2254
2255 /// getTruncateOrNoop - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
2256 /// input value to the specified type.  The conversion must not be widening.
2257 const SCEV *
2258 ScalarEvolution::getTruncateOrNoop(const SCEV *V, const Type *Ty) {
2259   const Type *SrcTy = V->getType();
2260   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
2261          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
2262          "Cannot truncate or noop with non-integer arguments!");
2263   assert(getTypeSizeInBits(SrcTy) >= getTypeSizeInBits(Ty) &&
2264          "getTruncateOrNoop cannot extend!");
2265   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
2266     return V;  // No conversion
2267   return getTruncateExpr(V, Ty);
2268 }
2269
2270 /// getUMaxFromMismatchedTypes - Promote the operands to the wider of
2271 /// the types using zero-extension, and then perform a umax operation
2272 /// with them.
2273 const SCEV *ScalarEvolution::getUMaxFromMismatchedTypes(const SCEV *LHS,
2274                                                         const SCEV *RHS) {
2275   const SCEV *PromotedLHS = LHS;
2276   const SCEV *PromotedRHS = RHS;
2277
2278   if (getTypeSizeInBits(LHS->getType()) > getTypeSizeInBits(RHS->getType()))
2279     PromotedRHS = getZeroExtendExpr(RHS, LHS->getType());
2280   else
2281     PromotedLHS = getNoopOrZeroExtend(LHS, RHS->getType());
2282
2283   return getUMaxExpr(PromotedLHS, PromotedRHS);
2284 }
2285
2286 /// getUMinFromMismatchedTypes - Promote the operands to the wider of
2287 /// the types using zero-extension, and then perform a umin operation
2288 /// with them.
2289 const SCEV *ScalarEvolution::getUMinFromMismatchedTypes(const SCEV *LHS,
2290                                                         const SCEV *RHS) {
2291   const SCEV *PromotedLHS = LHS;
2292   const SCEV *PromotedRHS = RHS;
2293
2294   if (getTypeSizeInBits(LHS->getType()) > getTypeSizeInBits(RHS->getType()))
2295     PromotedRHS = getZeroExtendExpr(RHS, LHS->getType());
2296   else
2297     PromotedLHS = getNoopOrZeroExtend(LHS, RHS->getType());
2298
2299   return getUMinExpr(PromotedLHS, PromotedRHS);
2300 }
2301
2302 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
2303 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
2304 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
2305 void
2306 ScalarEvolution::ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
2307                                                   const SCEV *SymName,
2308                                                   const SCEV *NewVal) {
2309   std::map<SCEVCallbackVH, const SCEV *>::iterator SI =
2310     Scalars.find(SCEVCallbackVH(I, this));
2311   if (SI == Scalars.end()) return;
2312
2313   const SCEV *NV =
2314     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal, *this);
2315   if (NV == SI->second) return;  // No change.
2316
2317   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
2318
2319   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
2320   // updated!
2321   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
2322        UI != E; ++UI)
2323     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
2324 }
2325
2326 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
2327 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
2328 ///
2329 const SCEV *ScalarEvolution::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
2330   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
2331     if (const Loop *L = LI->getLoopFor(PN->getParent()))
2332       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
2333         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
2334         // from outside the loop, and one from inside.
2335         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
2336         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
2337
2338         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
2339         const SCEV *SymbolicName = getUnknown(PN);
2340         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
2341                "PHI node already processed?");
2342         Scalars.insert(std::make_pair(SCEVCallbackVH(PN, this), SymbolicName));
2343
2344         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
2345         // the back-edge.
2346         const SCEV *BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
2347
2348         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
2349         // has a special value for the first iteration of the loop.
2350
2351         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
2352         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
2353         if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
2354           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
2355           // with a recurrence.
2356           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
2357           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
2358             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
2359               if (FoundIndex == e) {
2360                 FoundIndex = i;
2361                 break;
2362               }
2363
2364           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
2365             // Create an add with everything but the specified operand.
2366             SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
2367             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
2368               if (i != FoundIndex)
2369                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
2370             const SCEV *Accum = getAddExpr(Ops);
2371
2372             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
2373             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
2374             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
2375                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
2376                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
2377               const SCEV *StartVal =
2378                 getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
2379               const SCEV *PHISCEV =
2380                 getAddRecExpr(StartVal, Accum, L);
2381
2382               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
2383               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
2384               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
2385               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
2386               // value.
2387               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
2388               return PHISCEV;
2389             }
2390           }
2391         } else if (const SCEVAddRecExpr *AddRec =
2392                      dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
2393           // Otherwise, this could be a loop like this:
2394           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
2395           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
2396           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
2397           // i really is an addrec evolution.
2398           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
2399             const SCEV *StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
2400
2401             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
2402             // initial step of the addrec evolution.
2403             if (StartVal == getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
2404                                             AddRec->getOperand(1))) {
2405               const SCEV *PHISCEV =
2406                  getAddRecExpr(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
2407
2408               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
2409               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
2410               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
2411               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
2412               // value.
2413               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
2414               return PHISCEV;
2415             }
2416           }
2417         }
2418
2419         return SymbolicName;
2420       }
2421
2422   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
2423   return getUnknown(PN);
2424 }
2425
2426 /// createNodeForGEP - Expand GEP instructions into add and multiply
2427 /// operations. This allows them to be analyzed by regular SCEV code.
2428 ///
2429 const SCEV *ScalarEvolution::createNodeForGEP(User *GEP) {
2430
2431   const Type *IntPtrTy = TD->getIntPtrType();
2432   Value *Base = GEP->getOperand(0);
2433   // Don't attempt to analyze GEPs over unsized objects.
2434   if (!cast<PointerType>(Base->getType())->getElementType()->isSized())
2435     return getUnknown(GEP);
2436   const SCEV *TotalOffset = getIntegerSCEV(0, IntPtrTy);
2437   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
2438   for (GetElementPtrInst::op_iterator I = next(GEP->op_begin()),
2439                                       E = GEP->op_end();
2440        I != E; ++I) {
2441     Value *Index = *I;
2442     // Compute the (potentially symbolic) offset in bytes for this index.
2443     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI++)) {
2444       // For a struct, add the member offset.
2445       const StructLayout &SL = *TD->getStructLayout(STy);
2446       unsigned FieldNo = cast<ConstantInt>(Index)->getZExtValue();
2447       uint64_t Offset = SL.getElementOffset(FieldNo);
2448       TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset, getIntegerSCEV(Offset, IntPtrTy));
2449     } else {
2450       // For an array, add the element offset, explicitly scaled.
2451       const SCEV *LocalOffset = getSCEV(Index);
2452       if (!isa<PointerType>(LocalOffset->getType()))
2453         // Getelementptr indicies are signed.
2454         LocalOffset = getTruncateOrSignExtend(LocalOffset, IntPtrTy);
2455       LocalOffset =
2456         getMulExpr(LocalOffset,
2457                    getIntegerSCEV(TD->getTypeAllocSize(*GTI), IntPtrTy));
2458       TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset, LocalOffset);
2459     }
2460   }
2461   return getAddExpr(getSCEV(Base), TotalOffset);
2462 }
2463
2464 /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S is
2465 /// guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same time,
2466 /// the minimum number of times S is divisible by 2.  For example, given {4,+,8}
2467 /// it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the bitwidth of S.
2468 uint32_t
2469 ScalarEvolution::GetMinTrailingZeros(const SCEV *S) {
2470   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
2471     return C->getValue()->getValue().countTrailingZeros();
2472
2473   if (const SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
2474     return std::min(GetMinTrailingZeros(T->getOperand()),
2475                     (uint32_t)getTypeSizeInBits(T->getType()));
2476
2477   if (const SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
2478     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
2479     return OpRes == getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
2480              getTypeSizeInBits(E->getType()) : OpRes;
2481   }
2482
2483   if (const SCEVSignExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
2484     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
2485     return OpRes == getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
2486              getTypeSizeInBits(E->getType()) : OpRes;
2487   }
2488
2489   if (const SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2490     // The result is the min of all operands results.
2491     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
2492     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
2493       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
2494     return MinOpRes;
2495   }
2496
2497   if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
2498     // The result is the sum of all operands results.
2499     uint32_t SumOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
2500     uint32_t BitWidth = getTypeSizeInBits(M->getType());
2501     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands();
2502          SumOpRes != BitWidth && i != e; ++i)
2503       SumOpRes = std::min(SumOpRes + GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)),
2504                           BitWidth);
2505     return SumOpRes;
2506   }
2507
2508   if (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2509     // The result is the min of all operands results.
2510     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
2511     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
2512       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
2513     return MinOpRes;
2514   }
2515
2516   if (const SCEVSMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
2517     // The result is the min of all operands results.
2518     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
2519     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
2520       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
2521     return MinOpRes;
2522   }
2523
2524   if (const SCEVUMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
2525     // The result is the min of all operands results.
2526     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
2527     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
2528       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
2529     return MinOpRes;
2530   }
2531
2532   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
2533     // For a SCEVUnknown, ask ValueTracking.
2534     unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(U->getType());
2535     APInt Mask = APInt::getAllOnesValue(BitWidth);
2536     APInt Zeros(BitWidth, 0), Ones(BitWidth, 0);
2537     ComputeMaskedBits(U->getValue(), Mask, Zeros, Ones);
2538     return Zeros.countTrailingOnes();
2539   }
2540
2541   // SCEVUDivExpr
2542   return 0;
2543 }
2544
2545 /// getUnsignedRange - Determine the unsigned range for a particular SCEV.
2546 ///
2547 ConstantRange
2548 ScalarEvolution::getUnsignedRange(const SCEV *S) {
2549
2550   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
2551     return ConstantRange(C->getValue()->getValue());
2552
2553   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2554     ConstantRange X = getUnsignedRange(Add->getOperand(0));
2555     for (unsigned i = 1, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
2556       X = X.add(getUnsignedRange(Add->getOperand(i)));
2557     return X;
2558   }
2559
2560   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
2561     ConstantRange X = getUnsignedRange(Mul->getOperand(0));
2562     for (unsigned i = 1, e = Mul->getNumOperands(); i != e; ++i)
2563       X = X.multiply(getUnsignedRange(Mul->getOperand(i)));
2564     return X;
2565   }
2566
2567   if (const SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
2568     ConstantRange X = getUnsignedRange(SMax->getOperand(0));
2569     for (unsigned i = 1, e = SMax->getNumOperands(); i != e; ++i)
2570       X = X.smax(getUnsignedRange(SMax->getOperand(i)));
2571     return X;
2572   }
2573
2574   if (const SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
2575     ConstantRange X = getUnsignedRange(UMax->getOperand(0));
2576     for (unsigned i = 1, e = UMax->getNumOperands(); i != e; ++i)
2577       X = X.umax(getUnsignedRange(UMax->getOperand(i)));
2578     return X;
2579   }
2580
2581   if (const SCEVUDivExpr *UDiv = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
2582     ConstantRange X = getUnsignedRange(UDiv->getLHS());
2583     ConstantRange Y = getUnsignedRange(UDiv->getRHS());
2584     return X.udiv(Y);
2585   }
2586
2587   if (const SCEVZeroExtendExpr *ZExt = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
2588     ConstantRange X = getUnsignedRange(ZExt->getOperand());
2589     return X.zeroExtend(cast<IntegerType>(ZExt->getType())->getBitWidth());
2590   }
2591
2592   if (const SCEVSignExtendExpr *SExt = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
2593     ConstantRange X = getUnsignedRange(SExt->getOperand());
2594     return X.signExtend(cast<IntegerType>(SExt->getType())->getBitWidth());
2595   }
2596
2597   if (const SCEVTruncateExpr *Trunc = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S)) {
2598     ConstantRange X = getUnsignedRange(Trunc->getOperand());
2599     return X.truncate(cast<IntegerType>(Trunc->getType())->getBitWidth());
2600   }
2601
2602   ConstantRange FullSet(getTypeSizeInBits(S->getType()), true);
2603
2604   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2605     const SCEV *T = getBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
2606     const SCEVConstant *Trip = dyn_cast<SCEVConstant>(T);
2607     if (!Trip) return FullSet;
2608
2609     // TODO: non-affine addrec
2610     if (AddRec->isAffine()) {
2611       const Type *Ty = AddRec->getType();
2612       const SCEV *MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
2613       if (getTypeSizeInBits(MaxBECount->getType()) <= getTypeSizeInBits(Ty)) {
2614         MaxBECount = getNoopOrZeroExtend(MaxBECount, Ty);
2615
2616         const SCEV *Start = AddRec->getStart();
2617         const SCEV *End = AddRec->evaluateAtIteration(MaxBECount, *this);
2618
2619         // Check for overflow.
2620         if (!isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_ULE, Start, End))
2621           return FullSet;
2622
2623         ConstantRange StartRange = getUnsignedRange(Start);
2624         ConstantRange EndRange = getUnsignedRange(End);
2625         APInt Min = APIntOps::umin(StartRange.getUnsignedMin(),
2626                                    EndRange.getUnsignedMin());
2627         APInt Max = APIntOps::umax(StartRange.getUnsignedMax(),
2628                                    EndRange.getUnsignedMax());
2629         if (Min.isMinValue() && Max.isMaxValue())
2630           return ConstantRange(Min.getBitWidth(), /*isFullSet=*/true);
2631         return ConstantRange(Min, Max+1);
2632       }
2633     }
2634   }
2635
2636   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
2637     // For a SCEVUnknown, ask ValueTracking.
2638     unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(U->getType());
2639     APInt Mask = APInt::getAllOnesValue(BitWidth);
2640     APInt Zeros(BitWidth, 0), Ones(BitWidth, 0);
2641     ComputeMaskedBits(U->getValue(), Mask, Zeros, Ones, TD);
2642     return ConstantRange(Ones, ~Zeros);
2643   }
2644
2645   return FullSet;
2646 }
2647
2648 /// getSignedRange - Determine the signed range for a particular SCEV.
2649 ///
2650 ConstantRange
2651 ScalarEvolution::getSignedRange(const SCEV *S) {
2652
2653   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
2654     return ConstantRange(C->getValue()->getValue());
2655
2656   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2657     ConstantRange X = getSignedRange(Add->getOperand(0));
2658     for (unsigned i = 1, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
2659       X = X.add(getSignedRange(Add->getOperand(i)));
2660     return X;
2661   }
2662
2663   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
2664     ConstantRange X = getSignedRange(Mul->getOperand(0));
2665     for (unsigned i = 1, e = Mul->getNumOperands(); i != e; ++i)
2666       X = X.multiply(getSignedRange(Mul->getOperand(i)));
2667     return X;
2668   }
2669
2670   if (const SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
2671     ConstantRange X = getSignedRange(SMax->getOperand(0));
2672     for (unsigned i = 1, e = SMax->getNumOperands(); i != e; ++i)
2673       X = X.smax(getSignedRange(SMax->getOperand(i)));
2674     return X;
2675   }
2676
2677   if (const SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
2678     ConstantRange X = getSignedRange(UMax->getOperand(0));
2679     for (unsigned i = 1, e = UMax->getNumOperands(); i != e; ++i)
2680       X = X.umax(getSignedRange(UMax->getOperand(i)));
2681     return X;
2682   }
2683
2684   if (const SCEVUDivExpr *UDiv = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
2685     ConstantRange X = getSignedRange(UDiv->getLHS());
2686     ConstantRange Y = getSignedRange(UDiv->getRHS());
2687     return X.udiv(Y);
2688   }
2689
2690   if (const SCEVZeroExtendExpr *ZExt = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
2691     ConstantRange X = getSignedRange(ZExt->getOperand());
2692     return X.zeroExtend(cast<IntegerType>(ZExt->getType())->getBitWidth());
2693   }
2694
2695   if (const SCEVSignExtendExpr *SExt = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
2696     ConstantRange X = getSignedRange(SExt->getOperand());
2697     return X.signExtend(cast<IntegerType>(SExt->getType())->getBitWidth());
2698   }
2699
2700   if (const SCEVTruncateExpr *Trunc = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S)) {
2701     ConstantRange X = getSignedRange(Trunc->getOperand());
2702     return X.truncate(cast<IntegerType>(Trunc->getType())->getBitWidth());
2703   }
2704
2705   ConstantRange FullSet(getTypeSizeInBits(S->getType()), true);
2706
2707   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2708     const SCEV *T = getBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
2709     const SCEVConstant *Trip = dyn_cast<SCEVConstant>(T);
2710     if (!Trip) return FullSet;
2711
2712     // TODO: non-affine addrec
2713     if (AddRec->isAffine()) {
2714       const Type *Ty = AddRec->getType();
2715       const SCEV *MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
2716       if (getTypeSizeInBits(MaxBECount->getType()) <= getTypeSizeInBits(Ty)) {
2717         MaxBECount = getNoopOrZeroExtend(MaxBECount, Ty);
2718
2719         const SCEV *Start = AddRec->getStart();
2720         const SCEV *Step = AddRec->getStepRecurrence(*this);
2721         const SCEV *End = AddRec->evaluateAtIteration(MaxBECount, *this);
2722
2723         // Check for overflow.
2724         if (!(isKnownPositive(Step) &&
2725               isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLT, Start, End)) &&
2726             !(isKnownNegative(Step) &&
2727               isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGT, Start, End)))
2728           return FullSet;
2729
2730         ConstantRange StartRange = getSignedRange(Start);
2731         ConstantRange EndRange = getSignedRange(End);
2732         APInt Min = APIntOps::smin(StartRange.getSignedMin(),
2733                                    EndRange.getSignedMin());
2734         APInt Max = APIntOps::smax(StartRange.getSignedMax(),
2735                                    EndRange.getSignedMax());
2736         if (Min.isMinSignedValue() && Max.isMaxSignedValue())
2737           return ConstantRange(Min.getBitWidth(), /*isFullSet=*/true);
2738         return ConstantRange(Min, Max+1);
2739       }
2740     }
2741   }
2742
2743   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
2744     // For a SCEVUnknown, ask ValueTracking.
2745     unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(U->getType());
2746     unsigned NS = ComputeNumSignBits(U->getValue(), TD);
2747     if (NS == 1)
2748       return FullSet;
2749     return
2750       ConstantRange(APInt::getSignedMinValue(BitWidth).ashr(NS - 1),
2751                     APInt::getSignedMaxValue(BitWidth).ashr(NS - 1)+1);
2752   }
2753
2754   return FullSet;
2755 }
2756
2757 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
2758 /// Analyze the expression.
2759 ///
2760 const SCEV *ScalarEvolution::createSCEV(Value *V) {
2761   if (!isSCEVable(V->getType()))
2762     return getUnknown(V);
2763
2764   unsigned Opcode = Instruction::UserOp1;
2765   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
2766     Opcode = I->getOpcode();
2767   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
2768     Opcode = CE->getOpcode();
2769   else if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
2770     return getConstant(CI);
2771   else if (isa<ConstantPointerNull>(V))
2772     return getIntegerSCEV(0, V->getType());
2773   else if (isa<UndefValue>(V))
2774     return getIntegerSCEV(0, V->getType());
2775   else
2776     return getUnknown(V);
2777
2778   User *U = cast<User>(V);
2779   switch (Opcode) {
2780   case Instruction::Add:
2781     return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
2782                       getSCEV(U->getOperand(1)));
2783   case Instruction::Mul:
2784     return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
2785                       getSCEV(U->getOperand(1)));
2786   case Instruction::UDiv:
2787     return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
2788                        getSCEV(U->getOperand(1)));
2789   case Instruction::Sub:
2790     return getMinusSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)),
2791                         getSCEV(U->getOperand(1)));
2792   case Instruction::And:
2793     // For an expression like x&255 that merely masks off the high bits,
2794     // use zext(trunc(x)) as the SCEV expression.
2795     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
2796       if (CI->isNullValue())
2797         return getSCEV(U->getOperand(1));
2798       if (CI->isAllOnesValue())
2799         return getSCEV(U->getOperand(0));
2800       const APInt &A = CI->getValue();
2801
2802       // Instcombine's ShrinkDemandedConstant may strip bits out of
2803       // constants, obscuring what would otherwise be a low-bits mask.
2804       // Use ComputeMaskedBits to compute what ShrinkDemandedConstant
2805       // knew about to reconstruct a low-bits mask value.
2806       unsigned LZ = A.countLeadingZeros();
2807       unsigned BitWidth = A.getBitWidth();
2808       APInt AllOnes = APInt::getAllOnesValue(BitWidth);
2809       APInt KnownZero(BitWidth, 0), KnownOne(BitWidth, 0);
2810       ComputeMaskedBits(U->getOperand(0), AllOnes, KnownZero, KnownOne, TD);
2811
2812       APInt EffectiveMask = APInt::getLowBitsSet(BitWidth, BitWidth - LZ);
2813
2814       if (LZ != 0 && !((~A & ~KnownZero) & EffectiveMask))
2815         return
2816           getZeroExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
2817                                             IntegerType::get(BitWidth - LZ)),
2818                             U->getType());
2819     }
2820     break;
2821
2822   case Instruction::Or:
2823     // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
2824     // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an Add so loop
2825     // optimizations will transparently handle this case.
2826     //
2827     // In order for this transformation to be safe, the LHS must be of the
2828     // form X*(2^n) and the Or constant must be less than 2^n.
2829     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
2830       const SCEV *LHS = getSCEV(U->getOperand(0));
2831       const APInt &CIVal = CI->getValue();
2832       if (GetMinTrailingZeros(LHS) >=
2833           (CIVal.getBitWidth() - CIVal.countLeadingZeros()))
2834         return getAddExpr(LHS, getSCEV(U->getOperand(1)));
2835     }
2836     break;
2837   case Instruction::Xor:
2838     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
2839       // If the RHS of the xor is a signbit, then this is just an add.
2840       // Instcombine turns add of signbit into xor as a strength reduction step.
2841       if (CI->getValue().isSignBit())
2842         return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
2843                           getSCEV(U->getOperand(1)));
2844
2845       // If the RHS of xor is -1, then this is a not operation.
2846       if (CI->isAllOnesValue())
2847         return getNotSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)));
2848
2849       // Model xor(and(x, C), C) as and(~x, C), if C is a low-bits mask.
2850       // This is a variant of the check for xor with -1, and it handles
2851       // the case where instcombine has trimmed non-demanded bits out
2852       // of an xor with -1.
2853       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(U->getOperand(0)))
2854         if (ConstantInt *LCI = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1)))
2855           if (BO->getOpcode() == Instruction::And &&
2856               LCI->getValue() == CI->getValue())
2857             if (const SCEVZeroExtendExpr *Z =
2858                   dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(getSCEV(U->getOperand(0)))) {
2859               const Type *UTy = U->getType();
2860               const SCEV *Z0 = Z->getOperand();
2861               const Type *Z0Ty = Z0->getType();
2862               unsigned Z0TySize = getTypeSizeInBits(Z0Ty);
2863
2864               // If C is a low-bits mask, the zero extend is zerving to
2865               // mask off the high bits. Complement the operand and
2866               // re-apply the zext.
2867               if (APIntOps::isMask(Z0TySize, CI->getValue()))
2868                 return getZeroExtendExpr(getNotSCEV(Z0), UTy);
2869
2870               // If C is a single bit, it may be in the sign-bit position
2871               // before the zero-extend. In this case, represent the xor
2872               // using an add, which is equivalent, and re-apply the zext.
2873               APInt Trunc = APInt(CI->getValue()).trunc(Z0TySize);
2874               if (APInt(Trunc).zext(getTypeSizeInBits(UTy)) == CI->getValue() &&
2875                   Trunc.isSignBit())
2876                 return getZeroExtendExpr(getAddExpr(Z0, getConstant(Trunc)),
2877                                          UTy);
2878             }
2879     }
2880     break;
2881
2882   case Instruction::Shl:
2883     // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
2884     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
2885       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
2886       Constant *X = ConstantInt::get(
2887         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
2888       return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
2889     }
2890     break;
2891
2892   case Instruction::LShr:
2893     // Turn logical shift right of a constant into a unsigned divide.
2894     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
2895       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
2896       Constant *X = ConstantInt::get(
2897         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
2898       return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
2899     }
2900     break;
2901
2902   case Instruction::AShr:
2903     // For a two-shift sext-inreg, use sext(trunc(x)) as the SCEV expression.
2904     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1)))
2905       if (Instruction *L = dyn_cast<Instruction>(U->getOperand(0)))
2906         if (L->getOpcode() == Instruction::Shl &&
2907             L->getOperand(1) == U->getOperand(1)) {
2908           unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(U->getType());
2909           uint64_t Amt = BitWidth - CI->getZExtValue();
2910           if (Amt == BitWidth)
2911             return getSCEV(L->getOperand(0));       // shift by zero --> noop
2912           if (Amt > BitWidth)
2913             return getIntegerSCEV(0, U->getType()); // value is undefined
2914           return
2915             getSignExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(L->getOperand(0)),
2916                                                       IntegerType::get(Amt)),
2917                                  U->getType());
2918         }
2919     break;
2920
2921   case Instruction::Trunc:
2922     return getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
2923
2924   case Instruction::ZExt:
2925     return getZeroExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
2926
2927   case Instruction::SExt:
2928     return getSignExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
2929
2930   case Instruction::BitCast:
2931     // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
2932     if (isSCEVable(U->getType()) && isSCEVable(U->getOperand(0)->getType()))
2933       return getSCEV(U->getOperand(0));
2934     break;
2935
2936   case Instruction::IntToPtr:
2937     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
2938     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
2939                                    TD->getIntPtrType());
2940
2941   case Instruction::PtrToInt:
2942     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
2943     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
2944                                    U->getType());
2945
2946   case Instruction::GetElementPtr:
2947     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
2948     return createNodeForGEP(U);
2949
2950   case Instruction::PHI:
2951     return createNodeForPHI(cast<PHINode>(U));
2952
2953   case Instruction::Select:
2954     // This could be a smax or umax that was lowered earlier.
2955     // Try to recover it.
2956     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(U->getOperand(0))) {
2957       Value *LHS = ICI->getOperand(0);
2958       Value *RHS = ICI->getOperand(1);
2959       switch (ICI->getPredicate()) {
2960       case ICmpInst::ICMP_SLT:
2961       case ICmpInst::ICMP_SLE:
2962         std::swap(LHS, RHS);
2963         // fall through
2964       case ICmpInst::ICMP_SGT:
2965       case ICmpInst::ICMP_SGE:
2966         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
2967           return getSMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2968         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
2969           return getSMinExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2970         break;
2971       case ICmpInst::ICMP_ULT:
2972       case ICmpInst::ICMP_ULE:
2973         std::swap(LHS, RHS);
2974         // fall through
2975       case ICmpInst::ICMP_UGT:
2976       case ICmpInst::ICMP_UGE:
2977         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
2978           return getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2979         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
2980           return getUMinExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2981         break;
2982       case ICmpInst::ICMP_NE:
2983         // n != 0 ? n : 1  ->  umax(n, 1)
2984         if (LHS == U->getOperand(1) &&
2985             isa<ConstantInt>(U->getOperand(2)) &&
2986             cast<ConstantInt>(U->getOperand(2))->isOne() &&
2987             isa<ConstantInt>(RHS) &&
2988             cast<ConstantInt>(RHS)->isZero())
2989           return getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(U->getOperand(2)));
2990         break;
2991       case ICmpInst::ICMP_EQ:
2992         // n == 0 ? 1 : n  ->  umax(n, 1)
2993         if (LHS == U->getOperand(2) &&
2994             isa<ConstantInt>(U->getOperand(1)) &&
2995             cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))->isOne() &&
2996             isa<ConstantInt>(RHS) &&
2997             cast<ConstantInt>(RHS)->isZero())
2998           return getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(U->getOperand(1)));
2999         break;
3000       default:
3001         break;
3002       }
3003     }
3004
3005   default: // We cannot analyze this expression.
3006     break;
3007   }
3008
3009   return getUnknown(V);
3010 }
3011
3012
3013
3014 //===----------------------------------------------------------------------===//
3015 //                   Iteration Count Computation Code
3016 //
3017
3018 /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
3019 /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
3020 /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
3021 /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
3022 /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
3023 /// when the header is branched to from outside the loop.
3024 ///
3025 /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
3026 /// loop-invariant backedge-taken count (see
3027 /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
3028 ///
3029 const SCEV *ScalarEvolution::getBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
3030   return getBackedgeTakenInfo(L).Exact;
3031 }
3032
3033 /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
3034 /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
3035 /// actual backedge taken count.
3036 const SCEV *ScalarEvolution::getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
3037   return getBackedgeTakenInfo(L).Max;
3038 }
3039
3040 /// PushLoopPHIs - Push PHI nodes in the header of the given loop
3041 /// onto the given Worklist.
3042 static void
3043 PushLoopPHIs(const Loop *L, SmallVectorImpl<Instruction *> &Worklist) {
3044   BasicBlock *Header = L->getHeader();
3045
3046   // Push all Loop-header PHIs onto the Worklist stack.
3047   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
3048        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
3049     Worklist.push_back(PN);
3050 }
3051
3052 /// PushDefUseChildren - Push users of the given Instruction
3053 /// onto the given Worklist.
3054 static void
3055 PushDefUseChildren(Instruction *I,
3056                    SmallVectorImpl<Instruction *> &Worklist) {
3057   // Push the def-use children onto the Worklist stack.
3058   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
3059        UI != UE; ++UI)
3060     Worklist.push_back(cast<Instruction>(UI));
3061 }
3062
3063 const ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo &
3064 ScalarEvolution::getBackedgeTakenInfo(const Loop *L) {
3065   // Initially insert a CouldNotCompute for this loop. If the insertion
3066   // succeeds, procede to actually compute a backedge-taken count and
3067   // update the value. The temporary CouldNotCompute value tells SCEV
3068   // code elsewhere that it shouldn't attempt to request a new
3069   // backedge-taken count, which could result in infinite recursion.
3070   std::pair<std::map<const Loop*, BackedgeTakenInfo>::iterator, bool> Pair =
3071     BackedgeTakenCounts.insert(std::make_pair(L, getCouldNotCompute()));
3072   if (Pair.second) {
3073     BackedgeTakenInfo ItCount = ComputeBackedgeTakenCount(L);
3074     if (ItCount.Exact != getCouldNotCompute()) {
3075       assert(ItCount.Exact->isLoopInvariant(L) &&
3076              ItCount.Max->isLoopInvariant(L) &&
3077              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
3078       ++NumTripCountsComputed;
3079
3080       // Update the value in the map.
3081       Pair.first->second = ItCount;
3082     } else {
3083       if (ItCount.Max != getCouldNotCompute())
3084         // Update the value in the map.
3085         Pair.first->second = ItCount;
3086       if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin()))
3087         // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
3088         ++NumTripCountsNotComputed;
3089     }
3090
3091     // Now that we know more about the trip count for this loop, forget any
3092     // existing SCEV values for PHI nodes in this loop since they are only
3093     // conservative estimates made without the benefit of trip count
3094     // information. This is similar to the code in
3095     // forgetLoopBackedgeTakenCount, except that it handles SCEVUnknown PHI
3096     // nodes specially.
3097     if (ItCount.hasAnyInfo()) {
3098       SmallVector<Instruction *, 16> Worklist;
3099       PushLoopPHIs(L, Worklist);
3100
3101       SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited;
3102       while (!Worklist.empty()) {
3103         Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
3104         if (!Visited.insert(I)) continue;
3105
3106         std::map<SCEVCallbackVH, const SCEV*>::iterator It =
3107           Scalars.find(static_cast<Value *>(I));
3108         if (It != Scalars.end()) {
3109           // SCEVUnknown for a PHI either means that it has an unrecognized
3110           // structure, or it's a PHI that's in the progress of being computed
3111           // by createNodeForPHI.  In the former case, additional loop trip count
3112           // information isn't going to change anything. In the later case,
3113           // createNodeForPHI will perform the necessary updates on its own when
3114           // it gets to that point.
3115           if (!isa<PHINode>(I) || !isa<SCEVUnknown>(It->second))
3116             Scalars.erase(It);
3117           ValuesAtScopes.erase(I);
3118           if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
3119             ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3120         }
3121
3122         PushDefUseChildren(I, Worklist);
3123       }
3124     }
3125   }
3126   return Pair.first->second;
3127 }
3128
3129 /// forgetLoopBackedgeTakenCount - This method should be called by the
3130 /// client when it has changed a loop in a way that may effect
3131 /// ScalarEvolution's ability to compute a trip count, or if the loop
3132 /// is deleted.
3133 void ScalarEvolution::forgetLoopBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
3134   BackedgeTakenCounts.erase(L);
3135
3136   SmallVector<Instruction *, 16> Worklist;
3137   PushLoopPHIs(L, Worklist);
3138
3139   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited;
3140   while (!Worklist.empty()) {
3141     Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
3142     if (!Visited.insert(I)) continue;
3143
3144     std::map<SCEVCallbackVH, const SCEV*>::iterator It =
3145       Scalars.find(static_cast<Value *>(I));
3146     if (It != Scalars.end()) {
3147       Scalars.erase(It);
3148       ValuesAtScopes.erase(I);
3149       if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
3150         ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3151     }
3152
3153     PushDefUseChildren(I, Worklist);
3154   }
3155 }
3156
3157 /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the backedge
3158 /// of the specified loop will execute.
3159 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
3160 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
3161   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
3162   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
3163
3164   // Examine all exits and pick the most conservative values.
3165   const SCEV *BECount = getCouldNotCompute();
3166   const SCEV *MaxBECount = getCouldNotCompute();
3167   bool CouldNotComputeBECount = false;
3168   for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
3169     BackedgeTakenInfo NewBTI =
3170       ComputeBackedgeTakenCountFromExit(L, ExitingBlocks[i]);
3171
3172     if (NewBTI.Exact == getCouldNotCompute()) {
3173       // We couldn't compute an exact value for this exit, so
3174       // we won't be able to compute an exact value for the loop.
3175       CouldNotComputeBECount = true;
3176       BECount = getCouldNotCompute();
3177     } else if (!CouldNotComputeBECount) {
3178       if (BECount == getCouldNotCompute())
3179         BECount = NewBTI.Exact;
3180       else
3181         BECount = getUMinFromMismatchedTypes(BECount, NewBTI.Exact);
3182     }
3183     if (MaxBECount == getCouldNotCompute())
3184       MaxBECount = NewBTI.Max;
3185     else if (NewBTI.Max != getCouldNotCompute())
3186       MaxBECount = getUMinFromMismatchedTypes(MaxBECount, NewBTI.Max);
3187   }
3188
3189   return BackedgeTakenInfo(BECount, MaxBECount);
3190 }
3191
3192 /// ComputeBackedgeTakenCountFromExit - Compute the number of times the backedge
3193 /// of the specified loop will execute if it exits via the specified block.
3194 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
3195 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCountFromExit(const Loop *L,
3196                                                    BasicBlock *ExitingBlock) {
3197
3198   // Okay, we've chosen an exiting block.  See what condition causes us to
3199   // exit at this block.
3200   //
3201   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
3202   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
3203   if (ExitBr == 0) return getCouldNotCompute();
3204   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
3205
3206   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
3207   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
3208   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
3209   // not be equal to the trip count of the loop.
3210   //
3211   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
3212   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
3213   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
3214   // loop header.  This is common for un-rotated loops.
3215   //
3216   // If both of those tests fail, walk up the unique predecessor chain to the
3217   // header, stopping if there is an edge that doesn't exit the loop. If the
3218   // header is reached, the execution count of the branch will be equal to the
3219   // trip count of the loop.
3220   //
3221   //  More extensive analysis could be done to handle more cases here.
3222   //
3223   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
3224       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
3225       ExitBr->getParent() != L->getHeader()) {
3226     // The simple checks failed, try climbing the unique predecessor chain
3227     // up to the header.
3228     bool Ok = false;
3229     for (BasicBlock *BB = ExitBr->getParent(); BB; ) {
3230       BasicBlock *Pred = BB->getUniquePredecessor();
3231       if (!Pred)
3232         return getCouldNotCompute();
3233       TerminatorInst *PredTerm = Pred->getTerminator();
3234       for (unsigned i = 0, e = PredTerm->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
3235         BasicBlock *PredSucc = PredTerm->getSuccessor(i);
3236         if (PredSucc == BB)
3237           continue;
3238         // If the predecessor has a successor that isn't BB and isn't
3239         // outside the loop, assume the worst.
3240         if (L->contains(PredSucc))
3241           return getCouldNotCompute();
3242       }
3243       if (Pred == L->getHeader()) {
3244         Ok = true;
3245         break;
3246       }
3247       BB = Pred;
3248     }
3249     if (!Ok)
3250       return getCouldNotCompute();
3251   }
3252
3253   // Procede to the next level to examine the exit condition expression.
3254   return ComputeBackedgeTakenCountFromExitCond(L, ExitBr->getCondition(),
3255                                                ExitBr->getSuccessor(0),
3256                                                ExitBr->getSuccessor(1));
3257 }
3258
3259 /// ComputeBackedgeTakenCountFromExitCond - Compute the number of times the
3260 /// backedge of the specified loop will execute if its exit condition
3261 /// were a conditional branch of ExitCond, TBB, and FBB.
3262 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
3263 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCountFromExitCond(const Loop *L,
3264                                                        Value *ExitCond,
3265                                                        BasicBlock *TBB,
3266                                                        BasicBlock *FBB) {
3267   // Check if the controlling expression for this loop is an And or Or.
3268   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(ExitCond)) {
3269     if (BO->getOpcode() == Instruction::And) {
3270       // Recurse on the operands of the and.
3271       BackedgeTakenInfo BTI0 =
3272         ComputeBackedgeTakenCountFromExitCond(L, BO->getOperand(0), TBB, FBB);
3273       BackedgeTakenInfo BTI1 =
3274         ComputeBackedgeTakenCountFromExitCond(L, BO->getOperand(1), TBB, FBB);
3275       const SCEV *BECount = getCouldNotCompute();
3276       const SCEV *MaxBECount = getCouldNotCompute();
3277       if (L->contains(TBB)) {
3278         // Both conditions must be true for the loop to continue executing.
3279         // Choose the less conservative count.
3280         if (BTI0.Exact == getCouldNotCompute() ||
3281             BTI1.Exact == getCouldNotCompute())
3282           BECount = getCouldNotCompute();
3283         else
3284           BECount = getUMinFromMismatchedTypes(BTI0.Exact, BTI1.Exact);
3285         if (BTI0.Max == getCouldNotCompute())
3286           MaxBECount = BTI1.Max;
3287         else if (BTI1.Max == getCouldNotCompute())
3288           MaxBECount = BTI0.Max;
3289         else
3290           MaxBECount = getUMinFromMismatchedTypes(BTI0.Max, BTI1.Max);
3291       } else {
3292         // Both conditions must be true for the loop to exit.
3293         assert(L->contains(FBB) && "Loop block has no successor in loop!");
3294         if (BTI0.Exact != getCouldNotCompute() &&
3295             BTI1.Exact != getCouldNotCompute())
3296           BECount = getUMaxFromMismatchedTypes(BTI0.Exact, BTI1.Exact);
3297         if (BTI0.Max != getCouldNotCompute() &&
3298             BTI1.Max != getCouldNotCompute())
3299           MaxBECount = getUMaxFromMismatchedTypes(BTI0.Max, BTI1.Max);
3300       }
3301
3302       return BackedgeTakenInfo(BECount, MaxBECount);
3303     }
3304     if (BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
3305       // Recurse on the operands of the or.
3306       BackedgeTakenInfo BTI0 =
3307         ComputeBackedgeTakenCountFromExitCond(L, BO->getOperand(0), TBB, FBB);
3308       BackedgeTakenInfo BTI1 =
3309         ComputeBackedgeTakenCountFromExitCond(L, BO->getOperand(1), TBB, FBB);
3310       const SCEV *BECount = getCouldNotCompute();
3311       const SCEV *MaxBECount = getCouldNotCompute();
3312       if (L->contains(FBB)) {
3313         // Both conditions must be false for the loop to continue executing.
3314         // Choose the less conservative count.
3315         if (BTI0.Exact == getCouldNotCompute() ||
3316             BTI1.Exact == getCouldNotCompute())
3317           BECount = getCouldNotCompute();
3318         else
3319           BECount = getUMinFromMismatchedTypes(BTI0.Exact, BTI1.Exact);
3320         if (BTI0.Max == getCouldNotCompute())
3321           MaxBECount = BTI1.Max;
3322         else if (BTI1.Max == getCouldNotCompute())
3323           MaxBECount = BTI0.Max;
3324         else
3325           MaxBECount = getUMinFromMismatchedTypes(BTI0.Max, BTI1.Max);
3326       } else {
3327         // Both conditions must be false for the loop to exit.
3328         assert(L->contains(TBB) && "Loop block has no successor in loop!");
3329         if (BTI0.Exact != getCouldNotCompute() &&
3330             BTI1.Exact != getCouldNotCompute())
3331           BECount = getUMaxFromMismatchedTypes(BTI0.Exact, BTI1.Exact);
3332         if (BTI0.Max != getCouldNotCompute() &&
3333             BTI1.Max != getCouldNotCompute())
3334           MaxBECount = getUMaxFromMismatchedTypes(BTI0.Max, BTI1.Max);
3335       }
3336
3337       return BackedgeTakenInfo(BECount, MaxBECount);
3338     }
3339   }
3340
3341   // With an icmp, it may be feasible to compute an exact backedge-taken count.
3342   // Procede to the next level to examine the icmp.
3343   if (ICmpInst *ExitCondICmp = dyn_cast<ICmpInst>(ExitCond))
3344     return ComputeBackedgeTakenCountFromExitCondICmp(L, ExitCondICmp, TBB, FBB);
3345
3346   // If it's not an integer or pointer comparison then compute it the hard way.
3347   return ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitCond, !L->contains(TBB));
3348 }
3349
3350 /// ComputeBackedgeTakenCountFromExitCondICmp - Compute the number of times the
3351 /// backedge of the specified loop will execute if its exit condition
3352 /// were a conditional branch of the ICmpInst ExitCond, TBB, and FBB.
3353 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
3354 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCountFromExitCondICmp(const Loop *L,
3355                                                            ICmpInst *ExitCond,
3356                                                            BasicBlock *TBB,
3357                                                            BasicBlock *FBB) {
3358
3359   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
3360   ICmpInst::Predicate Cond;
3361   if (!L->contains(FBB))
3362     Cond = ExitCond->getPredicate();
3363   else
3364     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
3365
3366   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
3367   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
3368     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
3369       const SCEV *ItCnt =
3370         ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LI, RHS, L, Cond);
3371       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) {
3372         unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(ItCnt->getType());
3373         return BackedgeTakenInfo(ItCnt,
3374                                  isa<SCEVConstant>(ItCnt) ? ItCnt :
3375                                    getConstant(APInt::getMaxValue(BitWidth)-1));
3376       }
3377     }
3378
3379   const SCEV *LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
3380   const SCEV *RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
3381
3382   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
3383   LHS = getSCEVAtScope(LHS, L);
3384   RHS = getSCEVAtScope(RHS, L);
3385
3386   // At this point, we would like to compute how many iterations of the
3387   // loop the predicate will return true for these inputs.
3388   if (LHS->isLoopInvariant(L) && !RHS->isLoopInvariant(L)) {
3389     // If there is a loop-invariant, force it into the RHS.
3390     std::swap(LHS, RHS);
3391     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
3392   }
3393
3394   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
3395   // ranges to answer this query.
3396   if (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
3397     if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
3398       if (AddRec->getLoop() == L) {
3399         // Form the constant range.
3400         ConstantRange CompRange(
3401             ICmpInst::makeConstantRange(Cond, RHSC->getValue()->getValue()));
3402
3403         const SCEV *Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, *this);
3404         if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
3405       }
3406
3407   switch (Cond) {
3408   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
3409     // Convert to: while (X-Y != 0)
3410     const SCEV *TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
3411     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
3412     break;
3413   }
3414   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
3415     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
3416     const SCEV *TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
3417     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
3418     break;
3419   }
3420   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
3421     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, true);
3422     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
3423     break;
3424   }
3425   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
3426     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
3427                                              getNotSCEV(RHS), L, true);
3428     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
3429     break;
3430   }
3431   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
3432     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, false);
3433     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
3434     break;
3435   }
3436   case ICmpInst::ICMP_UGT: {
3437     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
3438                                              getNotSCEV(RHS), L, false);
3439     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
3440     break;
3441   }
3442   default:
3443 #if 0
3444     errs() << "ComputeBackedgeTakenCount ";
3445     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
3446       errs() << "[unsigned] ";
3447     errs() << *LHS << "   "
3448          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp)
3449          << "   " << *RHS << "\n";
3450 #endif
3451     break;
3452   }
3453   return
3454     ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitCond, !L->contains(TBB));
3455 }
3456
3457 static ConstantInt *
3458 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ConstantInt *C,
3459                                 ScalarEvolution &SE) {
3460   const SCEV *InVal = SE.getConstant(C);
3461   const SCEV *Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal, SE);
3462   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
3463          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
3464   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
3465 }
3466
3467 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
3468 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
3469 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
3470 /// invalid.
3471 static Constant *
3472 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
3473                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
3474   Constant *Init = GV->getInitializer();
3475   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
3476     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
3477     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
3478       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
3479       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
3480     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
3481       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
3482       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
3483     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
3484       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
3485         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
3486         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
3487       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
3488         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
3489         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
3490       } else {
3491         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
3492       }
3493       return 0;
3494     } else {
3495       return 0; // Unknown initializer type
3496     }
3497   }
3498   return Init;
3499 }
3500
3501 /// ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount - Given an exit condition of
3502 /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the backedge
3503 /// execution count.
3504 const SCEV *
3505 ScalarEvolution::ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(
3506                                                 LoadInst *LI,
3507                                                 Constant *RHS,
3508                                                 const Loop *L,
3509                                                 ICmpInst::Predicate predicate) {
3510   if (LI->isVolatile()) return getCouldNotCompute();
3511
3512   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
3513   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
3514   if (!GEP) return getCouldNotCompute();
3515
3516   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
3517   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
3518   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
3519   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
3520       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
3521       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
3522     return getCouldNotCompute();
3523
3524   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
3525   Value *VarIdx = 0;
3526   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
3527   unsigned VarIdxNum = 0;
3528   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
3529     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
3530       Indexes.push_back(CI);
3531     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
3532       if (VarIdx) return getCouldNotCompute();  // Multiple non-constant idx's.
3533       VarIdx = GEP->getOperand(i);
3534       VarIdxNum = i-2;
3535       Indexes.push_back(0);
3536     }
3537
3538   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
3539   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
3540   const SCEV *Idx = getSCEV(VarIdx);
3541   Idx = getSCEVAtScope(Idx, L);
3542
3543   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
3544   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
3545   const SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
3546   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
3547       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
3548       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
3549     return getCouldNotCompute();
3550
3551   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
3552   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
3553     ConstantInt *ItCst =
3554       ConstantInt::get(cast<IntegerType>(IdxExpr->getType()), IterationNum);
3555     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst, *this);
3556
3557     // Form the GEP offset.
3558     Indexes[VarIdxNum] = Val;
3559
3560     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
3561     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
3562
3563     // Evaluate the condition for this iteration.
3564     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
3565     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
3566     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
3567 #if 0
3568       errs() << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
3569              << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
3570              << "***\n";
3571 #endif
3572       ++NumArrayLenItCounts;
3573       return getConstant(ItCst);   // Found terminating iteration!
3574     }
3575   }
3576   return getCouldNotCompute();
3577 }
3578
3579
3580 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
3581 /// specified type, assuming that all operands were constants.
3582 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
3583   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
3584       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
3585     return true;
3586
3587   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
3588     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
3589       return canConstantFoldCallTo(F);
3590   return false;
3591 }
3592
3593 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
3594 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
3595 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
3596 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
3597 /// constraints, return null.
3598 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
3599   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
3600   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
3601   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
3602   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
3603
3604   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
3605     if (L->getHeader() == I->getParent())
3606       return PN;
3607     else
3608       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
3609       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
3610       return 0;
3611   }
3612
3613   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
3614   // are constants, return early.
3615   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
3616
3617   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
3618   // constant or derived from a PHI node themselves.
3619   PHINode *PHI = 0;
3620   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
3621     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
3622           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
3623       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
3624       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
3625       if (PHI == 0)
3626         PHI = P;
3627       else if (PHI != P)
3628         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
3629     }
3630
3631   // This is a expression evolving from a constant PHI!
3632   return PHI;
3633 }
3634
3635 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
3636 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
3637 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
3638 /// reason, return null.
3639 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
3640   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
3641   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
3642   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V)) return GV;
3643   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
3644   LLVMContext *Context = I->getParent()->getContext();
3645
3646   std::vector<Constant*> Operands;
3647   Operands.resize(I->getNumOperands());
3648
3649   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
3650     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
3651     if (Operands[i] == 0) return 0;
3652   }
3653
3654   if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
3655     return ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
3656                                            &Operands[0], Operands.size(),
3657                                            Context);
3658   else
3659     return ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
3660                                     &Operands[0], Operands.size(),
3661                                     Context);
3662 }
3663
3664 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
3665 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
3666 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
3667 /// involving constants, fold it.
3668 Constant *
3669 ScalarEvolution::getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN,
3670                                                    const APInt& BEs,
3671                                                    const Loop *L) {
3672   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
3673     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
3674   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
3675     return I->second;
3676
3677   if (BEs.ugt(APInt(BEs.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
3678     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
3679
3680   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
3681
3682   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
3683   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
3684   // second must be derived from the same PHI.
3685   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
3686   Constant *StartCST =
3687     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
3688   if (StartCST == 0)
3689     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
3690
3691   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
3692   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
3693   if (PN2 != PN)
3694     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
3695
3696   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
3697   if (BEs.getActiveBits() >= 32)
3698     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
3699
3700   unsigned NumIterations = BEs.getZExtValue(); // must be in range
3701   unsigned IterationNum = 0;
3702   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
3703     if (IterationNum == NumIterations)
3704       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
3705
3706     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
3707     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
3708     if (NextPHI == PHIVal)
3709       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
3710     if (NextPHI == 0)
3711       return 0;        // Couldn't evaluate!
3712     PHIVal = NextPHI;
3713   }
3714 }
3715
3716 /// ComputeBackedgeTakenCountExhaustively - If the trip is known to execute a
3717 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
3718 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
3719 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
3720 /// evaluate the trip count of the loop, return getCouldNotCompute().
3721 const SCEV *
3722 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(const Loop *L,
3723                                                        Value *Cond,
3724                                                        bool ExitWhen) {
3725   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
3726   if (PN == 0) return getCouldNotCompute();
3727
3728   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
3729   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
3730   // second must be derived from the same PHI.
3731   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
3732   Constant *StartCST =
3733     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
3734   if (StartCST == 0) return getCouldNotCompute();  // Must be a constant.
3735
3736   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
3737   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
3738   if (PN2 != PN) return getCouldNotCompute();  // Not derived from same PHI.
3739
3740   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
3741   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
3742   // "ExitWhen".
3743   unsigned IterationNum = 0;
3744   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
3745   for (Constant *PHIVal = StartCST;
3746        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
3747     ConstantInt *CondVal =
3748       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
3749
3750     // Couldn't symbolically evaluate.
3751     if (!CondVal) return getCouldNotCompute();
3752
3753     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
3754       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
3755       return getConstant(Type::Int32Ty, IterationNum);
3756     }
3757
3758     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
3759     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
3760     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
3761       return getCouldNotCompute();// Couldn't evaluate or not making progress...
3762     PHIVal = NextPHI;
3763   }
3764
3765   // Too many iterations were needed to evaluate.
3766   return getCouldNotCompute();
3767 }
3768
3769 /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression handle for the specified value
3770 /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
3771 /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
3772 /// specified loop is immediately inside of the loop.
3773 ///
3774 /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
3775 /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
3776 ///
3777 /// In the case that a relevant loop exit value cannot be computed, the
3778 /// original value V is returned.
3779 const SCEV *ScalarEvolution::getSCEVAtScope(const SCEV *V, const Loop *L) {
3780   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
3781
3782   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
3783
3784   // If this instruction is evolved from a constant-evolving PHI, compute the
3785   // exit value from the loop without using SCEVs.
3786   if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
3787     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
3788       const Loop *LI = (*this->LI)[I->getParent()];
3789       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
3790         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
3791           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
3792             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
3793             // to see if the loop that contains it has a known backedge-taken
3794             // count.  If so, we may be able to force computation of the exit
3795             // value.
3796             const SCEV *BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(LI);
3797             if (const SCEVConstant *BTCC =
3798                   dyn_cast<SCEVConstant>(BackedgeTakenCount)) {
3799               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
3800               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
3801               // the specified iteration number.
3802               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
3803                                                    BTCC->getValue()->getValue(),
3804                                                                LI);
3805               if (RV) return getSCEV(RV);
3806             }
3807           }
3808
3809       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
3810       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
3811       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
3812       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
3813       if (CanConstantFold(I)) {
3814         // Check to see if we've folded this instruction at this loop before.
3815         std::map<const Loop *, Constant *> &Values = ValuesAtScopes[I];
3816         std::pair<std::map<const Loop *, Constant *>::iterator, bool> Pair =
3817           Values.insert(std::make_pair(L, static_cast<Constant *>(0)));
3818         if (!Pair.second)
3819           return Pair.first->second ? &*getSCEV(Pair.first->second) : V;
3820
3821         std::vector<Constant*> Operands;
3822         Operands.reserve(I->getNumOperands());
3823         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
3824           Value *Op = I->getOperand(i);
3825           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
3826             Operands.push_back(C);
3827           } else {
3828             // If any of the operands is non-constant and if they are
3829             // non-integer and non-pointer, don't even try to analyze them
3830             // with scev techniques.
3831             if (!isSCEVable(Op->getType()))
3832               return V;
3833
3834             const SCEV* OpV = getSCEVAtScope(Op, L);
3835             if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV)) {
3836               Constant *C = SC->getValue();
3837               if (C->getType() != Op->getType())
3838                 C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
3839                                                                   Op->getType(),
3840                                                                   false),
3841                                           C, Op->getType());
3842               Operands.push_back(C);
3843             } else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
3844               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue())) {
3845                 if (C->getType() != Op->getType())
3846                   C =
3847                     ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
3848                                                                   Op->getType(),
3849                                                                   false),
3850                                           C, Op->getType());
3851                 Operands.push_back(C);
3852               } else
3853                 return V;
3854             } else {
3855               return V;
3856             }
3857           }
3858         }
3859
3860         Constant *C;
3861         if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
3862           C = ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
3863                                               &Operands[0], Operands.size(),
3864                                               Context);
3865         else
3866           C = ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
3867                                        &Operands[0], Operands.size(), Context);
3868         Pair.first->second = C;
3869         return getSCEV(C);
3870       }
3871     }
3872
3873     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
3874     return V;
3875   }
3876
3877   if (const SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
3878     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
3879     // expression has no loop-variant portions.
3880     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
3881       const SCEV *OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
3882       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
3883         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
3884         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
3885         SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Comm->op_begin(),
3886                                             Comm->op_begin()+i);
3887         NewOps.push_back(OpAtScope);
3888
3889         for (++i; i != e; ++i) {
3890           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
3891           NewOps.push_back(OpAtScope);
3892         }
3893         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
3894           return getAddExpr(NewOps);
3895         if (isa<SCEVMulExpr>(Comm))
3896           return getMulExpr(NewOps);
3897         if (isa<SCEVSMaxExpr>(Comm))
3898           return getSMaxExpr(NewOps);
3899         if (isa<SCEVUMaxExpr>(Comm))
3900           return getUMaxExpr(NewOps);
3901         assert(0 && "Unknown commutative SCEV type!");
3902       }
3903     }
3904     // If we got here, all operands are loop invariant.
3905     return Comm;
3906   }
3907
3908   if (const SCEVUDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
3909     const SCEV *LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
3910     const SCEV *RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
3911     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
3912       return Div;   // must be loop invariant
3913     return getUDivExpr(LHS, RHS);
3914   }
3915
3916   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
3917   // are dealing with the final value computed by the loop.
3918   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
3919     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
3920       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
3921       // loop iterates.  Compute this now.
3922       const SCEV *BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
3923       if (BackedgeTakenCount == getCouldNotCompute()) return AddRec;
3924
3925       // Then, evaluate the AddRec.
3926       return AddRec->evaluateAtIteration(BackedgeTakenCount, *this);
3927     }
3928     return AddRec;
3929   }
3930
3931   if (const SCEVZeroExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(V)) {
3932     const SCEV *Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
3933     if (Op == Cast->getOperand())
3934       return Cast;  // must be loop invariant
3935     return getZeroExtendExpr(Op, Cast->getType());
3936   }
3937
3938   if (const SCEVSignExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(V)) {
3939     const SCEV *Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
3940     if (Op == Cast->getOperand())
3941       return Cast;  // must be loop invariant
3942     return getSignExtendExpr(Op, Cast->getType());
3943   }
3944
3945   if (const SCEVTruncateExpr *Cast = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(V)) {
3946     const SCEV *Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
3947     if (Op == Cast->getOperand())
3948       return Cast;  // must be loop invariant
3949     return getTruncateExpr(Op, Cast->getType());
3950   }
3951
3952   assert(0 && "Unknown SCEV type!");
3953   return 0;
3954 }
3955
3956 /// getSCEVAtScope - This is a convenience function which does
3957 /// getSCEVAtScope(getSCEV(V), L).
3958 const SCEV *ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) {
3959   return getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
3960 }
3961
3962 /// SolveLinEquationWithOverflow - Finds the minimum unsigned root of the
3963 /// following equation:
3964 ///
3965 ///     A * X = B (mod N)
3966 ///
3967 /// where N = 2^BW and BW is the common bit width of A and B. The signedness of
3968 /// A and B isn't important.
3969 ///
3970 /// If the equation does not have a solution, SCEVCouldNotCompute is returned.
3971 static const SCEV *SolveLinEquationWithOverflow(const APInt &A, const APInt &B,
3972                                                ScalarEvolution &SE) {
3973   uint32_t BW = A.getBitWidth();
3974   assert(BW == B.getBitWidth() && "Bit widths must be the same.");
3975   assert(A != 0 && "A must be non-zero.");
3976
3977   // 1. D = gcd(A, N)
3978   //
3979   // The gcd of A and N may have only one prime factor: 2. The number of
3980   // trailing zeros in A is its multiplicity
3981   uint32_t Mult2 = A.countTrailingZeros();
3982   // D = 2^Mult2
3983
3984   // 2. Check if B is divisible by D.
3985   //
3986   // B is divisible by D if and only if the multiplicity of prime factor 2 for B
3987   // is not less than multiplicity of this prime factor for D.
3988   if (B.countTrailingZeros() < Mult2)
3989     return SE.getCouldNotCompute();
3990
3991   // 3. Compute I: the multiplicative inverse of (A / D) in arithmetic
3992   // modulo (N / D).
3993   //
3994   // (N / D) may need BW+1 bits in its representation.  Hence, we'll use this
3995   // bit width during computations.
3996   APInt AD = A.lshr(Mult2).zext(BW + 1);  // AD = A / D
3997   APInt Mod(BW + 1, 0);
3998   Mod.set(BW - Mult2);  // Mod = N / D
3999   APInt I = AD.multiplicativeInverse(Mod);
4000
4001   // 4. Compute the minimum unsigned root of the equation:
4002   // I * (B / D) mod (N / D)
4003   APInt Result = (I * B.lshr(Mult2).zext(BW + 1)).urem(Mod);
4004
4005   // The result is guaranteed to be less than 2^BW so we may truncate it to BW
4006   // bits.
4007   return SE.getConstant(Result.trunc(BW));
4008 }
4009
4010 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
4011 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
4012 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
4013 ///
4014 static std::pair<const SCEV *,const SCEV *>
4015 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ScalarEvolution &SE) {
4016   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
4017   const SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
4018   const SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
4019   const SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
4020
4021   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
4022   if (!LC || !MC || !NC) {
4023     const SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
4024     return std::make_pair(CNC, CNC);
4025   }
4026
4027   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
4028   const APInt &L = LC->getValue()->getValue();
4029   const APInt &M = MC->getValue()->getValue();
4030   const APInt &N = NC->getValue()->getValue();
4031   APInt Two(BitWidth, 2);
4032   APInt Four(BitWidth, 4);
4033
4034   {
4035     using namespace APIntOps;
4036     const APInt& C = L;
4037     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
4038     // The B coefficient is M-N/2
4039     APInt B(M);
4040     B -= sdiv(N,Two);
4041
4042     // The A coefficient is N/2
4043     APInt A(N.sdiv(Two));
4044
4045     // Compute the B^2-4ac term.
4046     APInt SqrtTerm(B);
4047     SqrtTerm *= B;
4048     SqrtTerm -= Four * (A * C);
4049
4050     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
4051     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
4052     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
4053
4054     // Compute the two solutions for the quadratic formula.
4055     // The divisions must be performed as signed divisions.
4056     APInt NegB(-B);
4057     APInt TwoA( A << 1 );
4058     if (TwoA.isMinValue()) {
4059       const SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
4060       return std::make_pair(CNC, CNC);
4061     }
4062
4063     LLVMContext *Context = SE.getContext();
4064
4065     ConstantInt *Solution1 =
4066       Context->getConstantInt((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
4067     ConstantInt *Solution2 =
4068       Context->getConstantInt((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
4069
4070     return std::make_pair(SE.getConstant(Solution1),
4071                           SE.getConstant(Solution2));
4072     } // end APIntOps namespace
4073 }
4074
4075 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
4076 /// value to zero will execute.  If not computable, return CouldNotCompute.
4077 const SCEV *ScalarEvolution::HowFarToZero(const SCEV *V, const Loop *L) {
4078   // If the value is a constant
4079   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
4080     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
4081     if (C->getValue()->isZero()) return C;
4082     return getCouldNotCompute();  // Otherwise it will loop infinitely.
4083   }
4084
4085   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
4086   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
4087     return getCouldNotCompute();
4088
4089   if (AddRec->isAffine()) {
4090     // If this is an affine expression, the execution count of this branch is
4091     // the minimum unsigned root of the following equation:
4092     //
4093     //     Start + Step*N = 0 (mod 2^BW)
4094     //
4095     // equivalent to:
4096     //
4097     //             Step*N = -Start (mod 2^BW)
4098     //
4099     // where BW is the common bit width of Start and Step.
4100
4101     // Get the initial value for the loop.
4102     const SCEV *Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(),
4103                                        L->getParentLoop());
4104     const SCEV *Step = getSCEVAtScope(AddRec->getOperand(1),
4105                                       L->getParentLoop());
4106
4107     if (const SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
4108       // For now we handle only constant steps.
4109
4110       // First, handle unitary steps.
4111       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // 1*N = -Start (mod 2^BW), so:
4112         return getNegativeSCEV(Start);       //   N = -Start (as unsigned)
4113       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // -1*N = -Start (mod 2^BW), so:
4114         return Start;                           //    N = Start (as unsigned)
4115
4116       // Then, try to solve the above equation provided that Start is constant.
4117       if (const SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start))
4118         return SolveLinEquationWithOverflow(StepC->getValue()->getValue(),
4119                                             -StartC->getValue()->getValue(),
4120                                             *this);
4121     }
4122   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
4123     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
4124     // the quadratic equation to solve it.
4125     std::pair<const SCEV *,const SCEV *> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec,
4126                                                                     *this);
4127     const SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
4128     const SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
4129     if (R1) {
4130 #if 0
4131       errs() << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
4132              << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
4133 #endif
4134       // Pick the smallest positive root value.
4135       if (ConstantInt *CB =
4136           dyn_cast<ConstantInt>(Context->getConstantExprICmp(ICmpInst::ICMP_ULT,
4137                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
4138         if (CB->getZExtValue() == false)
4139           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
4140
4141         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
4142         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
4143         // should not accept a root of 2.
4144         const SCEV *Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1, *this);
4145         if (Val->isZero())
4146           return R1;  // We found a quadratic root!
4147       }
4148     }
4149   }
4150
4151   return getCouldNotCompute();
4152 }
4153
4154 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
4155 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
4156 /// CouldNotCompute
4157 const SCEV *ScalarEvolution::HowFarToNonZero(const SCEV *V, const Loop *L) {
4158   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
4159   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
4160   // future as needed.
4161
4162   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
4163   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
4164   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
4165     if (!C->getValue()->isNullValue())
4166       return getIntegerSCEV(0, C->getType());
4167     return getCouldNotCompute();  // Otherwise it will loop infinitely.
4168   }
4169
4170   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
4171   // this, and if they did, they would already be constant folded.
4172   return getCouldNotCompute();
4173 }
4174
4175 /// getLoopPredecessor - If the given loop's header has exactly one unique
4176 /// predecessor outside the loop, return it. Otherwise return null.
4177 ///
4178 BasicBlock *ScalarEvolution::getLoopPredecessor(const Loop *L) {
4179   BasicBlock *Header = L->getHeader();
4180   BasicBlock *Pred = 0;
4181   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), E = pred_end(Header);
4182        PI != E; ++PI)
4183     if (!L->contains(*PI)) {
4184       if (Pred && Pred != *PI) return 0; // Multiple predecessors.
4185       Pred = *PI;
4186     }
4187   return Pred;
4188 }
4189
4190 /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
4191 /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
4192 /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
4193 /// found.
4194 ///
4195 BasicBlock *
4196 ScalarEvolution::getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB) {
4197   // If the block has a unique predecessor, then there is no path from the
4198   // predecessor to the block that does not go through the direct edge
4199   // from the predecessor to the block.
4200   if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor())
4201     return Pred;
4202
4203   // A loop's header is defined to be a block that dominates the loop.
4204   // If the header has a unique predecessor outside the loop, it must be
4205   // a block that has exactly one successor that can reach the loop.
4206   if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
4207     return getLoopPredecessor(L);
4208
4209   return 0;
4210 }
4211
4212 /// HasSameValue - SCEV structural equivalence is usually sufficient for
4213 /// testing whether two expressions are equal, however for the purposes of
4214 /// looking for a condition guarding a loop, it can be useful to be a little
4215 /// more general, since a front-end may have replicated the controlling
4216 /// expression.
4217 ///
4218 static bool HasSameValue(const SCEV *A, const SCEV *B) {
4219   // Quick check to see if they are the same SCEV.
4220   if (A == B) return true;
4221
4222   // Otherwise, if they're both SCEVUnknown, it's possible that they hold
4223   // two different instructions with the same value. Check for this case.
4224   if (const SCEVUnknown *AU = dyn_cast<SCEVUnknown>(A))
4225     if (const SCEVUnknown *BU = dyn_cast<SCEVUnknown>(B))
4226       if (const Instruction *AI = dyn_cast<Instruction>(AU->getValue()))
4227         if (const Instruction *BI = dyn_cast<Instruction>(BU->getValue()))
4228           if (AI->isIdenticalTo(BI))
4229             return true;
4230
4231   // Otherwise assume they may have a different value.
4232   return false;
4233 }
4234
4235 bool ScalarEvolution::isKnownNegative(const SCEV *S) {
4236   return getSignedRange(S).getSignedMax().isNegative();
4237 }
4238
4239 bool ScalarEvolution::isKnownPositive(const SCEV *S) {
4240   return getSignedRange(S).getSignedMin().isStrictlyPositive();
4241 }
4242
4243 bool ScalarEvolution::isKnownNonNegative(const SCEV *S) {
4244   return !getSignedRange(S).getSignedMin().isNegative();
4245 }
4246
4247 bool ScalarEvolution::isKnownNonPositive(const SCEV *S) {
4248   return !getSignedRange(S).getSignedMax().isStrictlyPositive();
4249 }
4250
4251 bool ScalarEvolution::isKnownNonZero(const SCEV *S) {
4252   return isKnownNegative(S) || isKnownPositive(S);
4253 }
4254
4255 bool ScalarEvolution::isKnownPredicate(ICmpInst::Predicate Pred,
4256                                        const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) {
4257
4258   if (HasSameValue(LHS, RHS))
4259     return ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred);
4260
4261   switch (Pred) {
4262   default:
4263     assert(0 && "Unexpected ICmpInst::Predicate value!");
4264     break;
4265   case ICmpInst::ICMP_SGT:
4266     Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
4267     std::swap(LHS, RHS);
4268   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
4269     ConstantRange LHSRange = getSignedRange(LHS);
4270     ConstantRange RHSRange = getSignedRange(RHS);
4271     if (LHSRange.getSignedMax().slt(RHSRange.getSignedMin()))
4272       return true;
4273     if (LHSRange.getSignedMin().sge(RHSRange.getSignedMax()))
4274       return false;
4275
4276     const SCEV *Diff = getMinusSCEV(LHS, RHS);
4277     ConstantRange DiffRange = getUnsignedRange(Diff);
4278     if (isKnownNegative(Diff)) {
4279       if (DiffRange.getUnsignedMax().ult(LHSRange.getUnsignedMin()))
4280         return true;
4281       if (DiffRange.getUnsignedMin().uge(LHSRange.getUnsignedMax()))
4282         return false;
4283     } else if (isKnownPositive(Diff)) {
4284       if (LHSRange.getUnsignedMax().ult(DiffRange.getUnsignedMin()))
4285         return true;
4286       if (LHSRange.getUnsignedMin().uge(DiffRange.getUnsignedMax()))
4287         return false;
4288     }
4289     break;
4290   }
4291   case ICmpInst::ICMP_SGE:
4292     Pred = ICmpInst::ICMP_SLE;
4293     std::swap(LHS, RHS);
4294   case ICmpInst::ICMP_SLE: {
4295     ConstantRange LHSRange = getSignedRange(LHS);
4296     ConstantRange RHSRange = getSignedRange(RHS);
4297     if (LHSRange.getSignedMax().sle(RHSRange.getSignedMin()))
4298       return true;
4299     if (LHSRange.getSignedMin().sgt(RHSRange.getSignedMax()))
4300       return false;
4301
4302     const SCEV *Diff = getMinusSCEV(LHS, RHS);
4303     ConstantRange DiffRange = getUnsignedRange(Diff);
4304     if (isKnownNonPositive(Diff)) {
4305       if (DiffRange.getUnsignedMax().ule(LHSRange.getUnsignedMin()))
4306         return true;
4307       if (DiffRange.getUnsignedMin().ugt(LHSRange.getUnsignedMax()))
4308         return false;
4309     } else if (isKnownNonNegative(Diff)) {
4310       if (LHSRange.getUnsignedMax().ule(DiffRange.getUnsignedMin()))
4311         return true;
4312       if (LHSRange.getUnsignedMin().ugt(DiffRange.getUnsignedMax()))
4313         return false;
4314     }
4315     break;
4316   }
4317   case ICmpInst::ICMP_UGT:
4318     Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
4319     std::swap(LHS, RHS);
4320   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
4321     ConstantRange LHSRange = getUnsignedRange(LHS);
4322     ConstantRange RHSRange = getUnsignedRange(RHS);
4323     if (LHSRange.getUnsignedMax().ult(RHSRange.getUnsignedMin()))
4324       return true;
4325     if (LHSRange.getUnsignedMin().uge(RHSRange.getUnsignedMax()))
4326       return false;
4327
4328     const SCEV *Diff = getMinusSCEV(LHS, RHS);
4329     ConstantRange DiffRange = getUnsignedRange(Diff);
4330     if (LHSRange.getUnsignedMax().ult(DiffRange.getUnsignedMin()))
4331       return true;
4332     if (LHSRange.getUnsignedMin().uge(DiffRange.getUnsignedMax()))
4333       return false;
4334     break;
4335   }
4336   case ICmpInst::ICMP_UGE:
4337     Pred = ICmpInst::ICMP_ULE;
4338     std::swap(LHS, RHS);
4339   case ICmpInst::ICMP_ULE: {
4340     ConstantRange LHSRange = getUnsignedRange(LHS);
4341     ConstantRange RHSRange = getUnsignedRange(RHS);
4342     if (LHSRange.getUnsignedMax().ule(RHSRange.getUnsignedMin()))
4343       return true;
4344     if (LHSRange.getUnsignedMin().ugt(RHSRange.getUnsignedMax()))
4345       return false;
4346
4347     const SCEV *Diff = getMinusSCEV(LHS, RHS);
4348     ConstantRange DiffRange = getUnsignedRange(Diff);
4349     if (LHSRange.getUnsignedMax().ule(DiffRange.getUnsignedMin()))
4350       return true;
4351     if (LHSRange.getUnsignedMin().ugt(DiffRange.getUnsignedMax()))
4352       return false;
4353     break;
4354   }
4355   case ICmpInst::ICMP_NE: {
4356     if (getUnsignedRange(LHS).intersectWith(getUnsignedRange(RHS)).isEmptySet())
4357       return true;
4358     if (getSignedRange(LHS).intersectWith(getSignedRange(RHS)).isEmptySet())
4359       return true;
4360
4361     const SCEV *Diff = getMinusSCEV(LHS, RHS);
4362     if (isKnownNonZero(Diff))
4363       return true;
4364     break;
4365   }
4366   case ICmpInst::ICMP_EQ:
4367     break;
4368   }
4369   return false;
4370 }
4371
4372 /// isLoopBackedgeGuardedByCond - Test whether the backedge of the loop is
4373 /// protected by a conditional between LHS and RHS.  This is used to
4374 /// to eliminate casts.
4375 bool
4376 ScalarEvolution::isLoopBackedgeGuardedByCond(const Loop *L,
4377                                              ICmpInst::Predicate Pred,
4378                                              const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) {
4379   // Interpret a null as meaning no loop, where there is obviously no guard
4380   // (interprocedural conditions notwithstanding).
4381   if (!L) return true;
4382
4383   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
4384   if (!Latch)
4385     return false;
4386
4387   BranchInst *LoopContinuePredicate =
4388     dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
4389   if (!LoopContinuePredicate ||
4390       LoopContinuePredicate->isUnconditional())
4391     return false;
4392
4393   return
4394     isNecessaryCond(LoopContinuePredicate->getCondition(), Pred, LHS, RHS,
4395                     LoopContinuePredicate->getSuccessor(0) != L->getHeader());
4396 }
4397
4398 /// isLoopGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected
4399 /// by a conditional between LHS and RHS.  This is used to help avoid max
4400 /// expressions in loop trip counts, and to eliminate casts.
4401 bool
4402 ScalarEvolution::isLoopGuardedByCond(const Loop *L,
4403                                      ICmpInst::Predicate Pred,
4404                                      const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) {
4405   // Interpret a null as meaning no loop, where there is obviously no guard
4406   // (interprocedural conditions notwithstanding).
4407   if (!L) return false;
4408
4409   BasicBlock *Predecessor = getLoopPredecessor(L);
4410   BasicBlock *PredecessorDest = L->getHeader();
4411
4412   // Starting at the loop predecessor, climb up the predecessor chain, as long
4413   // as there are predecessors that can be found that have unique successors
4414   // leading to the original header.
4415   for (; Predecessor;
4416        PredecessorDest = Predecessor,
4417        Predecessor = getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(Predecessor)) {
4418
4419     BranchInst *LoopEntryPredicate =
4420       dyn_cast<BranchInst>(Predecessor->getTerminator());
4421     if (!LoopEntryPredicate ||
4422         LoopEntryPredicate->isUnconditional())
4423       continue;
4424
4425     if (isNecessaryCond(LoopEntryPredicate->getCondition(), Pred, LHS, RHS,
4426                         LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) != PredecessorDest))
4427       return true;
4428   }
4429
4430   return false;
4431 }
4432
4433 /// isNecessaryCond - Test whether the condition described by Pred, LHS,
4434 /// and RHS is a necessary condition for the given Cond value to evaluate
4435 /// to true.
4436 bool ScalarEvolution::isNecessaryCond(Value *CondValue,
4437                                       ICmpInst::Predicate Pred,
4438                                       const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
4439                                       bool Inverse) {
4440   // Recursivly handle And and Or conditions.
4441   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(CondValue)) {
4442     if (BO->getOpcode() == Instruction::And) {
4443       if (!Inverse)
4444         return isNecessaryCond(BO->getOperand(0), Pred, LHS, RHS, Inverse) ||
4445                isNecessaryCond(BO->getOperand(1), Pred, LHS, RHS, Inverse);
4446     } else if (BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
4447       if (Inverse)
4448         return isNecessaryCond(BO->getOperand(0), Pred, LHS, RHS, Inverse) ||
4449                isNecessaryCond(BO->getOperand(1), Pred, LHS, RHS, Inverse);
4450     }
4451   }
4452
4453   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(CondValue);
4454   if (!ICI) return false;
4455
4456   // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
4457   // see if it is the comparison we are looking for.
4458   Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
4459   Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
4460   ICmpInst::Predicate FoundPred;
4461   if (Inverse)
4462     FoundPred = ICI->getInversePredicate();
4463   else
4464     FoundPred = ICI->getPredicate();
4465
4466   if (FoundPred == Pred)
4467     ; // An exact match.
4468   else if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(FoundPred) && Pred == ICmpInst::ICMP_NE) {
4469     // The actual condition is beyond sufficient.
4470     FoundPred = ICmpInst::ICMP_NE;
4471     // NE is symmetric but the original comparison may not be. Swap
4472     // the operands if necessary so that they match below.
4473     if (isa<SCEVConstant>(LHS))
4474       std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
4475   } else
4476     // Check a few special cases.
4477     switch (FoundPred) {
4478     case ICmpInst::ICMP_UGT:
4479       if (Pred == ICmpInst::ICMP_ULT) {
4480         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
4481         FoundPred = ICmpInst::ICMP_ULT;
4482         break;
4483       }
4484       return false;
4485     case ICmpInst::ICMP_SGT:
4486       if (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT) {
4487         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
4488         FoundPred = ICmpInst::ICMP_SLT;
4489         break;
4490       }
4491       return false;
4492     case ICmpInst::ICMP_NE:
4493       // Expressions like (x >u 0) are often canonicalized to (x != 0),
4494       // so check for this case by checking if the NE is comparing against
4495       // a minimum or maximum constant.
4496       if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred))
4497         if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
4498           const APInt &A = C->getValue()->getValue();
4499           switch (Pred) {
4500           case ICmpInst::ICMP_SLT:
4501             if (A.isMaxSignedValue()) break;
4502             return false;
4503           case ICmpInst::ICMP_SGT:
4504             if (A.isMinSignedValue()) break;
4505             return false;
4506           case ICmpInst::ICMP_ULT:
4507             if (A.isMaxValue()) break;
4508             return false;
4509           case ICmpInst::ICMP_UGT:
4510             if (A.isMinValue()) break;
4511             return false;
4512           default:
4513             return false;
4514           }
4515           FoundPred = Pred;
4516           // NE is symmetric but the original comparison may not be. Swap
4517           // the operands if necessary so that they match below.
4518           if (isa<SCEVConstant>(LHS))
4519             std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
4520           break;
4521         }
4522       return false;
4523     default:
4524       // We weren't able to reconcile the condition.
4525       return false;
4526     }
4527
4528   assert(Pred == FoundPred && "Conditions were not reconciled!");
4529
4530   const SCEV *FoundLHS = getSCEV(PreCondLHS);
4531   const SCEV *FoundRHS = getSCEV(PreCondRHS);
4532
4533   // Balance the types.
4534   if (getTypeSizeInBits(LHS->getType()) >
4535       getTypeSizeInBits(FoundLHS->getType())) {
4536     if (CmpInst::isSigned(Pred)) {
4537       FoundLHS = getSignExtendExpr(FoundLHS, LHS->getType());
4538       FoundRHS = getSignExtendExpr(FoundRHS, LHS->getType());
4539     } else {
4540       FoundLHS = getZeroExtendExpr(FoundLHS, LHS->getType());
4541       FoundRHS = getZeroExtendExpr(FoundRHS, LHS->getType());
4542     }
4543   } else if (getTypeSizeInBits(LHS->getType()) <
4544              getTypeSizeInBits(FoundLHS->getType())) {
4545     // TODO: Cast LHS and RHS to FoundLHS' type. Currently this can
4546     // result in infinite recursion since the code to construct
4547     // cast expressions may want to know things about the loop
4548     // iteration in order to do simplifications.
4549     return false;
4550   }
4551
4552   return isNecessaryCondOperands(Pred, LHS, RHS,
4553                                  FoundLHS, FoundRHS) ||
4554          // ~x < ~y --> x > y
4555          isNecessaryCondOperands(Pred, LHS, RHS,
4556                                  getNotSCEV(FoundRHS), getNotSCEV(FoundLHS));
4557 }
4558
4559 /// isNecessaryCondOperands - Test whether the condition described by Pred,
4560 /// LHS, and RHS is a necessary condition for the condition described by
4561 /// Pred, FoundLHS, and FoundRHS to evaluate to true.
4562 bool
4563 ScalarEvolution::isNecessaryCondOperands(ICmpInst::Predicate Pred,
4564                                          const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
4565                                          const SCEV *FoundLHS,
4566                                          const SCEV *FoundRHS) {
4567   switch (Pred) {
4568   default: break;
4569   case ICmpInst::ICMP_SLT:
4570     if (isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, LHS, FoundLHS) &&
4571         isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, RHS, FoundRHS))
4572       return true;
4573     break;
4574   case ICmpInst::ICMP_SGT:
4575     if (isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, LHS, FoundLHS) &&
4576         isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, RHS, FoundRHS))
4577       return true;
4578     break;
4579   case ICmpInst::ICMP_ULT:
4580     if (isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_ULE, LHS, FoundLHS) &&
4581         isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_UGE, RHS, FoundRHS))
4582       return true;
4583     break;
4584   case ICmpInst::ICMP_UGT:
4585     if (isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_UGE, LHS, FoundLHS) &&
4586         isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_ULE, RHS, FoundRHS))
4587       return true;
4588     break;
4589   }
4590
4591   return false;
4592 }
4593
4594 /// getBECount - Subtract the end and start values and divide by the step,
4595 /// rounding up, to get the number of times the backedge is executed. Return
4596 /// CouldNotCompute if an intermediate computation overflows.
4597 const SCEV *ScalarEvolution::getBECount(const SCEV *Start,
4598                                        const SCEV *End,
4599                                        const SCEV *Step) {
4600   const Type *Ty = Start->getType();
4601   const SCEV *NegOne = getIntegerSCEV(-1, Ty);
4602   const SCEV *Diff = getMinusSCEV(End, Start);
4603   const SCEV *RoundUp = getAddExpr(Step, NegOne);
4604
4605   // Add an adjustment to the difference between End and Start so that
4606   // the division will effectively round up.
4607   const SCEV *Add = getAddExpr(Diff, RoundUp);
4608
4609   // Check Add for unsigned overflow.
4610   // TODO: More sophisticated things could be done here.
4611   const Type *WideTy = Context->getIntegerType(getTypeSizeInBits(Ty) + 1);
4612   const SCEV *OperandExtendedAdd =
4613     getAddExpr(getZeroExtendExpr(Diff, WideTy),
4614                getZeroExtendExpr(RoundUp, WideTy));
4615   if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) != OperandExtendedAdd)
4616     return getCouldNotCompute();
4617
4618   return getUDivExpr(Add, Step);
4619 }
4620
4621 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
4622 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
4623 /// CouldNotCompute.
4624 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
4625 ScalarEvolution::HowManyLessThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
4626                                   const Loop *L, bool isSigned) {
4627   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
4628   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return getCouldNotCompute();
4629
4630   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
4631   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
4632     return getCouldNotCompute();
4633
4634   if (AddRec->isAffine()) {
4635     // FORNOW: We only support unit strides.
4636     unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(AddRec->getType());
4637     const SCEV *Step = AddRec->getStepRecurrence(*this);
4638
4639     // TODO: handle non-constant strides.
4640     const SCEVConstant *CStep = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4641     if (!CStep || CStep->isZero())
4642       return getCouldNotCompute();
4643     if (CStep->isOne()) {
4644       // With unit stride, the iteration never steps past the limit value.
4645     } else if (CStep->getValue()->getValue().isStrictlyPositive()) {
4646       if (const SCEVConstant *CLimit = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
4647         // Test whether a positive iteration iteration can step past the limit
4648         // value and past the maximum value for its type in a single step.
4649         if (isSigned) {
4650           APInt Max = APInt::getSignedMaxValue(BitWidth);
4651           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
4652                 .slt(CLimit->getValue()->getValue()))
4653             return getCouldNotCompute();
4654         } else {
4655           APInt Max = APInt::getMaxValue(BitWidth);
4656           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
4657                 .ult(CLimit->getValue()->getValue()))
4658             return getCouldNotCompute();
4659         }
4660       } else
4661         // TODO: handle non-constant limit values below.
4662         return getCouldNotCompute();
4663     } else
4664       // TODO: handle negative strides below.
4665       return getCouldNotCompute();
4666
4667     // We know the LHS is of the form {n,+,s} and the RHS is some loop-invariant
4668     // m.  So, we count the number of iterations in which {n,+,s} < m is true.
4669     // Note that we cannot simply return max(m-n,0)/s because it's not safe to
4670     // treat m-n as signed nor unsigned due to overflow possibility.
4671
4672     // First, we get the value of the LHS in the first iteration: n
4673     const SCEV *Start = AddRec->getOperand(0);
4674
4675     // Determine the minimum constant start value.
4676     const SCEV *MinStart = getConstant(isSigned ?
4677       getSignedRange(Start).getSignedMin() :
4678       getUnsignedRange(Start).getUnsignedMin());
4679
4680     // If we know that the condition is true in order to enter the loop,
4681     // then we know that it will run exactly (m-n)/s times. Otherwise, we
4682     // only know that it will execute (max(m,n)-n)/s times. In both cases,
4683     // the division must round up.
4684     const SCEV *End = RHS;
4685     if (!isLoopGuardedByCond(L,
4686                              isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT :
4687                                         ICmpInst::ICMP_ULT,
4688                              getMinusSCEV(Start, Step), RHS))
4689       End = isSigned ? getSMaxExpr(RHS, Start)
4690                      : getUMaxExpr(RHS, Start);
4691
4692     // Determine the maximum constant end value.
4693     const SCEV *MaxEnd = getConstant(isSigned ?
4694       getSignedRange(End).getSignedMax() :
4695       getUnsignedRange(End).getUnsignedMax());
4696
4697     // Finally, we subtract these two values and divide, rounding up, to get
4698     // the number of times the backedge is executed.
4699     const SCEV *BECount = getBECount(Start, End, Step);
4700
4701     // The maximum backedge count is similar, except using the minimum start
4702     // value and the maximum end value.
4703     const SCEV *MaxBECount = getBECount(MinStart, MaxEnd, Step);
4704
4705     return BackedgeTakenInfo(BECount, MaxBECount);
4706   }
4707
4708   return getCouldNotCompute();
4709 }
4710
4711 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
4712 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
4713 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
4714 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
4715 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
4716 const SCEV *SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range,
4717                                                     ScalarEvolution &SE) const {
4718   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
4719     return SE.getCouldNotCompute();
4720
4721   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
4722   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
4723     if (!SC->getValue()->isZero()) {
4724       SmallVector<const SCEV *, 4> Operands(op_begin(), op_end());
4725       Operands[0] = SE.getIntegerSCEV(0, SC->getType());
4726       const SCEV *Shifted = SE.getAddRecExpr(Operands, getLoop());
4727       if (const SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec =
4728             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
4729         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
4730                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()), SE);
4731       // This is strange and shouldn't happen.
4732       return SE.getCouldNotCompute();
4733     }
4734
4735   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
4736   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
4737   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
4738     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
4739       return SE.getCouldNotCompute();
4740
4741
4742   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
4743   // that the start element is zero.
4744
4745   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
4746   // iteration exits.
4747   unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(getType());
4748   if (!Range.contains(APInt(BitWidth, 0)))
4749     return SE.getIntegerSCEV(0, getType());
4750
4751   if (isAffine()) {
4752     // If this is an affine expression then we have this situation:
4753     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
4754
4755     // We know that zero is in the range.  If A is positive then we know that
4756     // the upper value of the range must be the first possible exit value.
4757     // If A is negative then the lower of the range is the last possible loop
4758     // value.  Also note that we already checked for a full range.
4759     APInt One(BitWidth,1);
4760     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
4761     APInt End = A.sge(One) ? (Range.getUpper() - One) : Range.getLower();
4762
4763     // The exit value should be (End+A)/A.
4764     APInt ExitVal = (End + A).udiv(A);
4765     ConstantInt *ExitValue = SE.getContext()->getConstantInt(ExitVal);
4766
4767     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
4768     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
4769     // things must have happened.
4770     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue, SE);
4771     if (Range.contains(Val->getValue()))
4772       return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
4773
4774     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
4775     assert(Range.contains(
4776            EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
4777            SE.getContext()->getConstantInt(ExitVal - One), SE)->getValue()) &&
4778            "Linear scev computation is off in a bad way!");
4779     return SE.getConstant(ExitValue);
4780   } else if (isQuadratic()) {
4781     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
4782     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
4783     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
4784     // Range.getUpper() is crossed.
4785     SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps(op_begin(), op_end());
4786     NewOps[0] = SE.getNegativeSCEV(SE.getConstant(Range.getUpper()));
4787     const SCEV *NewAddRec = SE.getAddRecExpr(NewOps, getLoop());
4788
4789     // Next, solve the constructed addrec
4790     std::pair<const SCEV *,const SCEV *> Roots =
4791       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec), SE);
4792     const SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
4793     const SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
4794     if (R1) {
4795       // Pick the smallest positive root value.
4796       if (ConstantInt *CB =
4797           dyn_cast<ConstantInt>(
4798                        SE.getContext()->getConstantExprICmp(ICmpInst::ICMP_ULT,
4799                          R1->getValue(), R2->getValue()))) {
4800         if (CB->getZExtValue() == false)
4801           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
4802
4803         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
4804         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
4805         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
4806         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
4807                                                              R1->getValue(),
4808                                                              SE);
4809         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
4810           // The next iteration must be out of the range...
4811           ConstantInt *NextVal =
4812                  SE.getContext()->getConstantInt(R1->getValue()->getValue()+1);
4813
4814           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
4815           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
4816             return SE.getConstant(NextVal);
4817           return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
4818         }
4819
4820         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
4821         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
4822         ConstantInt *NextVal =
4823                  SE.getContext()->getConstantInt(R1->getValue()->getValue()-1);
4824         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
4825         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
4826           return R1;
4827         return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
4828       }
4829     }
4830   }
4831
4832   return SE.getCouldNotCompute();
4833 }
4834
4835
4836
4837 //===----------------------------------------------------------------------===//
4838 //                   SCEVCallbackVH Class Implementation
4839 //===----------------------------------------------------------------------===//
4840
4841 void ScalarEvolution::SCEVCallbackVH::deleted() {
4842   assert(SE && "SCEVCallbackVH called with a non-null ScalarEvolution!");
4843   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(getValPtr()))
4844     SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
4845   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(getValPtr()))
4846     SE->ValuesAtScopes.erase(I);
4847   SE->Scalars.erase(getValPtr());
4848   // this now dangles!
4849 }
4850
4851 void ScalarEvolution::SCEVCallbackVH::allUsesReplacedWith(Value *) {
4852   assert(SE && "SCEVCallbackVH called with a non-null ScalarEvolution!");
4853
4854   // Forget all the expressions associated with users of the old value,
4855   // so that future queries will recompute the expressions using the new
4856   // value.
4857   SmallVector<User *, 16> Worklist;
4858   Value *Old = getValPtr();
4859   bool DeleteOld = false;
4860   for (Value::use_iterator UI = Old->use_begin(), UE = Old->use_end();
4861        UI != UE; ++UI)
4862     Worklist.push_back(*UI);
4863   while (!Worklist.empty()) {
4864     User *U = Worklist.pop_back_val();
4865     // Deleting the Old value will cause this to dangle. Postpone
4866     // that until everything else is done.
4867     if (U == Old) {
4868       DeleteOld = true;
4869       continue;
4870     }
4871     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U))
4872       SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
4873     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(U))
4874       SE->ValuesAtScopes.erase(I);
4875     if (SE->Scalars.erase(U))
4876       for (Value::use_iterator UI = U->use_begin(), UE = U->use_end();
4877            UI != UE; ++UI)
4878         Worklist.push_back(*UI);
4879   }
4880   if (DeleteOld) {
4881     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Old))
4882       SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
4883     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Old))
4884       SE->ValuesAtScopes.erase(I);
4885     SE->Scalars.erase(Old);
4886     // this now dangles!
4887   }
4888   // this may dangle!
4889 }
4890
4891 ScalarEvolution::SCEVCallbackVH::SCEVCallbackVH(Value *V, ScalarEvolution *se)
4892   : CallbackVH(V), SE(se) {}
4893
4894 //===----------------------------------------------------------------------===//
4895 //                   ScalarEvolution Class Implementation
4896 //===----------------------------------------------------------------------===//
4897
4898 ScalarEvolution::ScalarEvolution()
4899   : FunctionPass(&ID) {
4900 }
4901
4902 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
4903   this->F = &F;
4904   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
4905   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
4906   return false;
4907 }
4908
4909 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
4910   Scalars.clear();
4911   BackedgeTakenCounts.clear();
4912   ConstantEvolutionLoopExitValue.clear();
4913   ValuesAtScopes.clear();
4914   UniqueSCEVs.clear();
4915   SCEVAllocator.Reset();
4916 }
4917
4918 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
4919   AU.setPreservesAll();
4920   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
4921 }
4922
4923 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
4924   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getBackedgeTakenCount(L));
4925 }
4926
4927 static void PrintLoopInfo(raw_ostream &OS, ScalarEvolution *SE,
4928                           const Loop *L) {
4929   // Print all inner loops first
4930   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
4931     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
4932
4933   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
4934
4935   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
4936   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
4937   if (ExitBlocks.size() != 1)
4938     OS << "<multiple exits> ";
4939
4940   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L)) {
4941     OS << "backedge-taken count is " << *SE->getBackedgeTakenCount(L);
4942   } else {
4943     OS << "Unpredictable backedge-taken count. ";
4944   }
4945
4946   OS << "\n";
4947   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
4948
4949   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(SE->getMaxBackedgeTakenCount(L))) {
4950     OS << "max backedge-taken count is " << *SE->getMaxBackedgeTakenCount(L);
4951   } else {
4952     OS << "Unpredictable max backedge-taken count. ";
4953   }
4954
4955   OS << "\n";
4956 }
4957
4958 void ScalarEvolution::print(raw_ostream &OS, const Module* ) const {
4959   // ScalarEvolution's implementaiton of the print method is to print
4960   // out SCEV values of all instructions that are interesting. Doing
4961   // this potentially causes it to create new SCEV objects though,
4962   // which technically conflicts with the const qualifier. This isn't
4963   // observable from outside the class though, so casting away the
4964   // const isn't dangerous.
4965   ScalarEvolution &SE = *const_cast<ScalarEvolution*>(this);
4966
4967   OS << "Classifying expressions for: " << F->getName() << "\n";
4968   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
4969     if (isSCEVable(I->getType())) {
4970       OS << *I;
4971       OS << "  -->  ";
4972       const SCEV *SV = SE.getSCEV(&*I);
4973       SV->print(OS);
4974
4975       const Loop *L = LI->getLoopFor((*I).getParent());
4976
4977       const SCEV *AtUse = SE.getSCEVAtScope(SV, L);
4978       if (AtUse != SV) {
4979         OS << "  -->  ";
4980         AtUse->print(OS);
4981       }
4982
4983       if (L) {
4984         OS << "\t\t" "Exits: ";
4985         const SCEV *ExitValue = SE.getSCEVAtScope(SV, L->getParentLoop());
4986         if (!ExitValue->isLoopInvariant(L)) {
4987           OS << "<<Unknown>>";
4988         } else {
4989           OS << *ExitValue;
4990         }
4991       }
4992
4993       OS << "\n";
4994     }
4995
4996   OS << "Determining loop execution counts for: " << F->getName() << "\n";
4997   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
4998     PrintLoopInfo(OS, &SE, *I);
4999 }
5000
5001 void ScalarEvolution::print(std::ostream &o, const Module *M) const {
5002   raw_os_ostream OS(o);
5003   print(OS, M);
5004 }