Fix a bug in my change last night that caused a few test failures.
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 // 
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 // 
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains the implementation of the scalar evolution analysis
11 // engine, which is used primarily to analyze expressions involving induction
12 // variables in loops.
13 //
14 // There are several aspects to this library.  First is the representation of
15 // scalar expressions, which are represented as subclasses of the SCEV class.
16 // These classes are used to represent certain types of subexpressions that we
17 // can handle.  These classes are reference counted, managed by the SCEVHandle
18 // class.  We only create one SCEV of a particular shape, so pointer-comparisons
19 // for equality are legal.
20 //
21 // One important aspect of the SCEV objects is that they are never cyclic, even
22 // if there is a cycle in the dataflow for an expression (ie, a PHI node).  If
23 // the PHI node is one of the idioms that we can represent (e.g., a polynomial
24 // recurrence) then we represent it directly as a recurrence node, otherwise we
25 // represent it as a SCEVUnknown node.
26 //
27 // In addition to being able to represent expressions of various types, we also
28 // have folders that are used to build the *canonical* representation for a
29 // particular expression.  These folders are capable of using a variety of
30 // rewrite rules to simplify the expressions.
31 // 
32 // Once the folders are defined, we can implement the more interesting
33 // higher-level code, such as the code that recognizes PHI nodes of various
34 // types, computes the execution count of a loop, etc.
35 //
36 // TODO: We should use these routines and value representations to implement
37 // dependence analysis!
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40 //
41 // There are several good references for the techniques used in this analysis.
42 //
43 //  Chains of recurrences -- a method to expedite the evaluation
44 //  of closed-form functions
45 //  Olaf Bachmann, Paul S. Wang, Eugene V. Zima
46 //
47 //  On computational properties of chains of recurrences
48 //  Eugene V. Zima
49 //
50 //  Symbolic Evaluation of Chains of Recurrences for Loop Optimization
51 //  Robert A. van Engelen
52 //
53 //  Efficient Symbolic Analysis for Optimizing Compilers
54 //  Robert A. van Engelen
55 //
56 //  Using the chains of recurrences algebra for data dependence testing and
57 //  induction variable substitution
58 //  MS Thesis, Johnie Birch
59 //
60 //===----------------------------------------------------------------------===//
61
62 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
63 #include "llvm/Constants.h"
64 #include "llvm/DerivedTypes.h"
65 #include "llvm/Instructions.h"
66 #include "llvm/Type.h"
67 #include "llvm/Value.h"
68 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
69 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
70 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
71 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
72 #include "llvm/Support/CFG.h"
73 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
74 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
75 #include "Support/CommandLine.h"
76 #include "Support/Statistic.h"
77 #include <cmath>
78 using namespace llvm;
79
80 namespace {
81   RegisterAnalysis<ScalarEvolution>
82   R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis");
83
84   Statistic<>
85   NumBruteForceEvaluations("scalar-evolution",
86                            "Number of brute force evaluations needed to calculate high-order polynomial exit values");
87   Statistic<>
88   NumTripCountsComputed("scalar-evolution",
89                         "Number of loops with predictable loop counts");
90   Statistic<>
91   NumTripCountsNotComputed("scalar-evolution",
92                            "Number of loops without predictable loop counts");
93   Statistic<>
94   NumBruteForceTripCountsComputed("scalar-evolution",
95                         "Number of loops with trip counts computed by force");
96
97   cl::opt<unsigned>
98   MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
99                           cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will symbolically execute a constant derived loop"),
100                           cl::init(100));
101 }
102
103 //===----------------------------------------------------------------------===//
104 //                           SCEV class definitions
105 //===----------------------------------------------------------------------===//
106
107 //===----------------------------------------------------------------------===//
108 // Implementation of the SCEV class.
109 //
110 SCEV::~SCEV() {}
111 void SCEV::dump() const {
112   print(std::cerr);
113 }
114
115 /// getValueRange - Return the tightest constant bounds that this value is
116 /// known to have.  This method is only valid on integer SCEV objects.
117 ConstantRange SCEV::getValueRange() const {
118   const Type *Ty = getType();
119   assert(Ty->isInteger() && "Can't get range for a non-integer SCEV!");
120   Ty = Ty->getUnsignedVersion();
121   // Default to a full range if no better information is available.
122   return ConstantRange(getType());
123 }
124
125
126 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
127
128 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
129   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
130   return false;
131 }
132
133 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
134   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
135   return 0;
136 }
137
138 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
139   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
140   return false;
141 }
142
143 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
144   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
145 }
146
147 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
148   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
149 }
150
151
152 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
153 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
154 // never be deleted!
155 static std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> SCEVConstants;
156   
157
158 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
159   SCEVConstants.erase(V);
160 }
161
162 SCEVHandle SCEVConstant::get(ConstantInt *V) {
163   // Make sure that SCEVConstant instances are all unsigned.
164   if (V->getType()->isSigned()) {
165     const Type *NewTy = V->getType()->getUnsignedVersion();
166     V = cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(V, NewTy));
167   }
168   
169   SCEVConstant *&R = SCEVConstants[V];
170   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
171   return R;
172 }
173
174 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
175   return ConstantRange(V);
176 }
177
178 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
179
180 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
181   WriteAsOperand(OS, V, false);
182 }
183
184 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
185 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
186 // never be deleted!
187 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, SCEVTruncateExpr*> SCEVTruncates;
188
189 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
190   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
191   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
192          Ty->isUnsigned() &&
193          "Cannot truncate non-integer value!");
194   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize() &&
195          "This is not a truncating conversion!");
196 }
197
198 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
199   SCEVTruncates.erase(std::make_pair(Op, Ty));
200 }
201
202 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
203   return getOperand()->getValueRange().truncate(getType());
204 }
205
206 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
207   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
208 }
209
210 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
211 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
212 // be deleted!
213 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
214                 SCEVZeroExtendExpr*> SCEVZeroExtends;
215
216 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
217   : SCEV(scTruncate), Op(Op), Ty(ty) {
218   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
219          Ty->isUnsigned() &&
220          "Cannot zero extend non-integer value!");
221   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() < Ty->getPrimitiveSize() &&
222          "This is not an extending conversion!");
223 }
224
225 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
226   SCEVZeroExtends.erase(std::make_pair(Op, Ty));
227 }
228
229 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
230   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getType());
231 }
232
233 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
234   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
235 }
236
237 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
238 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
239 // be deleted!
240 static std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
241                 SCEVCommutativeExpr*> SCEVCommExprs;
242
243 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
244   SCEVCommExprs.erase(std::make_pair(getSCEVType(),
245                                      std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
246                                                         Operands.end())));
247 }
248
249 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
250   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
251   const char *OpStr = getOperationStr();
252   OS << "(" << *Operands[0];
253   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
254     OS << OpStr << *Operands[i];
255   OS << ")";
256 }
257
258 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
259 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
260 // deleted!
261 static std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, SCEVUDivExpr*> SCEVUDivs;
262
263 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
264   SCEVUDivs.erase(std::make_pair(LHS, RHS));
265 }
266
267 void SCEVUDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
268   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
269 }
270
271 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
272   const Type *Ty = LHS->getType();
273   if (Ty->isSigned()) Ty = Ty->getUnsignedVersion();
274   return Ty;
275 }
276
277 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
278 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
279 // be deleted!
280 static std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
281                 SCEVAddRecExpr*> SCEVAddRecExprs;
282
283 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
284   SCEVAddRecExprs.erase(std::make_pair(L,
285                                        std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
286                                                           Operands.end())));
287 }
288
289 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
290   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
291   // contain L.
292   return !QueryLoop->contains(L->getHeader());
293 }
294
295
296 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
297   OS << "{" << *Operands[0];
298   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
299     OS << ",+," << *Operands[i];
300   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
301 }
302
303 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
304 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
305 // deleted!
306 static std::map<Value*, SCEVUnknown*> SCEVUnknowns;
307
308 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns.erase(V); }
309
310 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
311   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
312   // invariant if they are not contained in the specified loop.
313   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
314     return !L->contains(I->getParent());
315   return true;
316 }
317
318 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
319   return V->getType();
320 }
321
322 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
323   WriteAsOperand(OS, V, false);
324 }
325
326 //===----------------------------------------------------------------------===//
327 //                               SCEV Utilities
328 //===----------------------------------------------------------------------===//
329
330 namespace {
331   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
332   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
333   /// expressions.
334   struct SCEVComplexityCompare {
335     bool operator()(SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
336       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
337     }
338   };
339 }
340
341 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
342 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
343 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
344 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
345 ///
346 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
347 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
348 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
349 /// land in memory.
350 ///
351 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
352   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
353   if (Ops.size() == 2) {
354     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
355     // Special case it.
356     if (Ops[0]->getSCEVType() > Ops[1]->getSCEVType())
357       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
358     return;
359   }
360
361   // Do the rough sort by complexity.
362   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
363
364   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
365   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
366   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
367   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
368   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
369     SCEV *S = Ops[i];
370     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
371
372     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
373     // one, group them.
374     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
375       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
376         // Move it to immediately after i'th element.
377         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
378         ++i;   // no need to rescan it.
379       }
380     }
381   }
382 }
383
384
385
386 //===----------------------------------------------------------------------===//
387 //                      Simple SCEV method implementations
388 //===----------------------------------------------------------------------===//
389
390 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
391 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
392 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
393   Constant *C;
394   if (Val == 0) 
395     C = Constant::getNullValue(Ty);
396   else if (Ty->isFloatingPoint())
397     C = ConstantFP::get(Ty, Val);
398   else if (Ty->isSigned())
399     C = ConstantSInt::get(Ty, Val);
400   else {
401     C = ConstantSInt::get(Ty->getSignedVersion(), Val);
402     C = ConstantExpr::getCast(C, Ty);
403   }
404   return SCEVUnknown::get(C);
405 }
406
407 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
408 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
409 /// extended.
410 static SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty) {
411   const Type *SrcTy = V->getType();
412   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
413          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
414   if (SrcTy->getPrimitiveSize() == Ty->getPrimitiveSize())
415     return V;  // No conversion
416   if (SrcTy->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize())
417     return SCEVTruncateExpr::get(V, Ty);
418   return SCEVZeroExtendExpr::get(V, Ty);
419 }
420
421 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
422 ///
423 static SCEVHandle getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
424   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
425     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
426   
427   return SCEVMulExpr::get(V, SCEVUnknown::getIntegerSCEV(-1, V->getType()));
428 }
429
430 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
431 ///
432 static SCEVHandle getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
433   // X - Y --> X + -Y
434   return SCEVAddExpr::get(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
435 }
436
437
438 /// Binomial - Evaluate N!/((N-M)!*M!)  .  Note that N is often large and M is
439 /// often very small, so we try to reduce the number of N! terms we need to
440 /// evaluate by evaluating this as  (N!/(N-M)!)/M!
441 static ConstantInt *Binomial(ConstantInt *N, unsigned M) {
442   uint64_t NVal = N->getRawValue();
443   uint64_t FirstTerm = 1;
444   for (unsigned i = 0; i != M; ++i)
445     FirstTerm *= NVal-i;
446
447   unsigned MFactorial = 1;
448   for (; M; --M)
449     MFactorial *= M;
450
451   Constant *Result = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, FirstTerm/MFactorial);
452   Result = ConstantExpr::getCast(Result, N->getType());
453   assert(isa<ConstantInt>(Result) && "Cast of integer not folded??");
454   return cast<ConstantInt>(Result);
455 }
456
457 /// PartialFact - Compute V!/(V-NumSteps)!
458 static SCEVHandle PartialFact(SCEVHandle V, unsigned NumSteps) {
459   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
460   // counts while computing loop exit values.
461   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
462     uint64_t Val = SC->getValue()->getRawValue();
463     uint64_t Result = 1;
464     for (; NumSteps; --NumSteps)
465       Result *= Val-(NumSteps-1);
466     Constant *Res = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, Result);
467     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(Res, V->getType()));
468   }
469
470   const Type *Ty = V->getType();
471   if (NumSteps == 0)
472     return SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
473   
474   SCEVHandle Result = V;
475   for (unsigned i = 1; i != NumSteps; ++i)
476     Result = SCEVMulExpr::get(Result, getMinusSCEV(V,
477                                           SCEVUnknown::getIntegerSCEV(i, Ty)));
478   return Result;
479 }
480
481
482 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
483 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
484 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
485 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
486 ///
487 ///   A*choose(It, 0) + B*choose(It, 1) + C*choose(It, 2) + D*choose(It, 3)
488 ///
489 /// FIXME/VERIFY: I don't trust that this is correct in the face of overflow.
490 /// Is the binomial equation safe using modular arithmetic??
491 ///
492 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It) const {
493   SCEVHandle Result = getStart();
494   int Divisor = 1;
495   const Type *Ty = It->getType();
496   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
497     SCEVHandle BC = PartialFact(It, i);
498     Divisor *= i;
499     SCEVHandle Val = SCEVUDivExpr::get(SCEVMulExpr::get(BC, getOperand(i)),
500                                        SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Divisor,Ty));
501     Result = SCEVAddExpr::get(Result, Val);
502   }
503   return Result;
504 }
505
506
507 //===----------------------------------------------------------------------===//
508 //                    SCEV Expression folder implementations
509 //===----------------------------------------------------------------------===//
510
511 SCEVHandle SCEVTruncateExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
512   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
513     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
514
515   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
516   // all of the constants.
517   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
518     std::vector<SCEVHandle> Operands;
519     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
520       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
521       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
522         Operands.push_back(get(AddRec->getOperand(i), Ty));
523       else
524         break;
525     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
526       return SCEVAddRecExpr::get(Operands, AddRec->getLoop());
527   }
528
529   SCEVTruncateExpr *&Result = SCEVTruncates[std::make_pair(Op, Ty)];
530   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
531   return Result;
532 }
533
534 SCEVHandle SCEVZeroExtendExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
535   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
536     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
537
538   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
539   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
540   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
541   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
542
543   SCEVZeroExtendExpr *&Result = SCEVZeroExtends[std::make_pair(Op, Ty)];
544   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
545   return Result;
546 }
547
548 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
549 SCEVHandle SCEVAddExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
550   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
551   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
552
553   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
554   GroupByComplexity(Ops);
555
556   // If there are any constants, fold them together.
557   unsigned Idx = 0;
558   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
559     ++Idx;
560     assert(Idx < Ops.size());
561     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
562       // We found two constants, fold them together!
563       Constant *Fold = ConstantExpr::getAdd(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
564       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
565         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
566         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
567         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
568       } else {
569         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
570         // that this is impossible to happen in practice because we always
571         // constant fold constant ints to constant ints.
572         ++Idx;
573       }
574     }
575
576     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
577     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
578       Ops.erase(Ops.begin());
579       --Idx;
580     }
581   }
582
583   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
584   
585   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
586   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
587   // list, these values are required to be adjacent.
588   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
589   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
590     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
591       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
592       // remaining values to the result.
593       SCEVHandle Two = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(2, Ty);
594       SCEVHandle Mul = SCEVMulExpr::get(Ops[i], Two);
595       if (Ops.size() == 2)
596         return Mul;
597       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
598       Ops.push_back(Mul);
599       return SCEVAddExpr::get(Ops);
600     }
601
602   // Okay, now we know the first non-constant operand.  If there are add
603   // operands they would be next.
604   if (Idx < Ops.size()) {
605     bool DeletedAdd = false;
606     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
607       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
608       // list.
609       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
610       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
611       DeletedAdd = true;
612     }
613
614     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
615     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
616     // any operands we just aquired.
617     if (DeletedAdd)
618       return get(Ops);
619   }
620
621   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
622   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
623     ++Idx;
624
625   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
626   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
627   // the multiply.
628   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
629     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
630     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
631       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
632       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
633         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] &&
634             (Mul->getNumOperands() != 2 || !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV))) {
635           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
636           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
637           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
638             // If the multiply has more than two operands, we must get the
639             // Y*Z term.
640             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
641             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
642             InnerMul = SCEVMulExpr::get(MulOps);
643           }
644           SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
645           SCEVHandle AddOne = SCEVAddExpr::get(InnerMul, One);
646           SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(AddOne, Ops[AddOp]);
647           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
648           if (AddOp < Idx) {
649             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
650             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
651           } else {
652             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
653             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
654           }
655           Ops.push_back(OuterMul);
656           return SCEVAddExpr::get(Ops);
657         }
658       
659       // Check this multiply against other multiplies being added together.
660       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
661            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
662            ++OtherMulIdx) {
663         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
664         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
665         // together.
666         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
667              OMulOp != e; ++OMulOp)
668           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
669             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
670             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
671             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
672               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
673               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
674               InnerMul1 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
675             }
676             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
677             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
678               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
679                                              OtherMul->op_end());
680               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
681               InnerMul2 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
682             }
683             SCEVHandle InnerMulSum = SCEVAddExpr::get(InnerMul1,InnerMul2);
684             SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(MulOpSCEV, InnerMulSum);
685             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
686             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
687             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
688             Ops.push_back(OuterMul);
689             return SCEVAddExpr::get(Ops);
690           }
691       }
692     }
693   }
694
695   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
696   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
697   // recurrence.
698   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
699     ++Idx;
700
701   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
702   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
703     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
704     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
705     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
706     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
707     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
708       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
709         LIOps.push_back(Ops[i]);
710         Ops.erase(Ops.begin()+i);
711         --i; --e;
712       }
713
714     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
715     if (!LIOps.empty()) {
716       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
717       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
718
719       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
720       AddRecOps[0] = SCEVAddExpr::get(LIOps);
721
722       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(AddRecOps, AddRec->getLoop());
723       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
724       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
725
726       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
727       for (unsigned i = 0;; ++i)
728         if (Ops[i] == AddRec) {
729           Ops[i] = NewRec;
730           break;
731         }
732       return SCEVAddExpr::get(Ops);
733     }
734
735     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
736     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
737     // added together.  If so, we can fold them.
738     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
739          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
740       if (OtherIdx != Idx) {
741         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
742         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
743           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
744           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
745           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
746             if (i >= NewOps.size()) {
747               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
748                             OtherAddRec->op_end());
749               break;
750             }
751             NewOps[i] = SCEVAddExpr::get(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
752           }
753           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
754
755           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
756
757           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
758           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
759           Ops.push_back(NewAddRec);
760           return SCEVAddExpr::get(Ops);
761         }
762       }
763
764     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
765     // next one.
766   }
767
768   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
769   // already have one, otherwise create a new one.
770   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
771   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scAddExpr,
772                                                               SCEVOps)];
773   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
774   return Result;
775 }
776
777
778 SCEVHandle SCEVMulExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
779   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
780
781   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
782   GroupByComplexity(Ops);
783
784   // If there are any constants, fold them together.
785   unsigned Idx = 0;
786   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
787
788     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
789     if (Ops.size() == 2)
790       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
791         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
792             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
793           return SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(0)),
794                                   SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(1)));
795
796
797     ++Idx;
798     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
799       // We found two constants, fold them together!
800       Constant *Fold = ConstantExpr::getMul(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
801       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
802         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
803         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
804         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
805       } else {
806         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
807         // that this is impossible to happen in practice because we always
808         // constant fold constant ints to constant ints.
809         ++Idx;
810       }
811     }
812
813     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
814     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
815       Ops.erase(Ops.begin());
816       --Idx;
817     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
818       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
819       return Ops[0];
820     }
821   }
822
823   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
824   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
825     ++Idx;
826
827   if (Ops.size() == 1)
828     return Ops[0];
829   
830   // If there are mul operands inline them all into this expression.
831   if (Idx < Ops.size()) {
832     bool DeletedMul = false;
833     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
834       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
835       // list.
836       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
837       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
838       DeletedMul = true;
839     }
840
841     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
842     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
843     // any operands we just aquired.
844     if (DeletedMul)
845       return get(Ops);
846   }
847
848   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
849   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
850   // recurrence.
851   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
852     ++Idx;
853
854   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
855   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
856     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
857     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
858     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
859     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
860     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
861       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
862         LIOps.push_back(Ops[i]);
863         Ops.erase(Ops.begin()+i);
864         --i; --e;
865       }
866
867     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
868     if (!LIOps.empty()) {
869       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
870       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
871       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
872       if (LIOps.size() == 1) {
873         SCEV *Scale = LIOps[0];
874         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
875           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(Scale, AddRec->getOperand(i)));
876       } else {
877         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
878           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
879           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
880           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(MulOps));
881         }
882       }
883
884       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
885
886       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
887       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
888
889       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
890       for (unsigned i = 0;; ++i)
891         if (Ops[i] == AddRec) {
892           Ops[i] = NewRec;
893           break;
894         }
895       return SCEVMulExpr::get(Ops);
896     }
897
898     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
899     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
900     // multiplied together.  If so, we can fold them.
901     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
902          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
903       if (OtherIdx != Idx) {
904         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
905         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
906           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
907           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
908           SCEVHandle NewStart = SCEVMulExpr::get(F->getStart(),
909                                                  G->getStart());
910           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence();
911           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence();
912           SCEVHandle NewStep = SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(F, D),
913                                                 SCEVMulExpr::get(G, B),
914                                                 SCEVMulExpr::get(B, D));
915           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewStart, NewStep,
916                                                      F->getLoop());
917           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
918
919           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
920           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
921           Ops.push_back(NewAddRec);
922           return SCEVMulExpr::get(Ops);
923         }
924       }
925
926     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
927     // next one.
928   }
929
930   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
931   // already have one, otherwise create a new one.
932   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
933   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scMulExpr,
934                                                               SCEVOps)];
935   if (Result == 0) Result = new SCEVMulExpr(Ops);
936   return Result;
937 }
938
939 SCEVHandle SCEVUDivExpr::get(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
940   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
941     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
942       return LHS;                            // X /u 1 --> x
943     if (RHSC->getValue()->isAllOnesValue())
944       return getNegativeSCEV(LHS);           // X /u -1  -->  -x
945
946     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
947       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
948       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
949       if (LHSCV->getType()->isSigned())
950         LHSCV = ConstantExpr::getCast(LHSCV,
951                                       LHSCV->getType()->getUnsignedVersion());
952       if (RHSCV->getType()->isSigned())
953         RHSCV = ConstantExpr::getCast(RHSCV, LHSCV->getType());
954       return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getDiv(LHSCV, RHSCV));
955     }
956   }
957
958   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
959
960   SCEVUDivExpr *&Result = SCEVUDivs[std::make_pair(LHS, RHS)];
961   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
962   return Result;
963 }
964
965
966 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
967 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
968 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(const SCEVHandle &Start,
969                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
970   std::vector<SCEVHandle> Operands;
971   Operands.push_back(Start);
972   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
973     if (StepChrec->getLoop() == L) {
974       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
975                       StepChrec->op_end());
976       return get(Operands, L);
977     }
978
979   Operands.push_back(Step);
980   return get(Operands, L);
981 }
982
983 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
984 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
985 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
986                                const Loop *L) {
987   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
988
989   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
990     if (StepC->getValue()->isNullValue()) {
991       Operands.pop_back();
992       return get(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
993     }
994
995   SCEVAddRecExpr *&Result =
996     SCEVAddRecExprs[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
997                                                          Operands.end()))];
998   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
999   return Result;
1000 }
1001
1002 SCEVHandle SCEVUnknown::get(Value *V) {
1003   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1004     return SCEVConstant::get(CI);
1005   SCEVUnknown *&Result = SCEVUnknowns[V];
1006   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1007   return Result;
1008 }
1009
1010
1011 //===----------------------------------------------------------------------===//
1012 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1013 //===----------------------------------------------------------------------===//
1014 //
1015 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1016 /// evolution code.
1017 ///
1018 namespace {
1019   struct ScalarEvolutionsImpl {
1020     /// F - The function we are analyzing.
1021     ///
1022     Function &F;
1023
1024     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1025     ///
1026     LoopInfo &LI;
1027
1028     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1029     /// things.
1030     SCEVHandle UnknownValue;
1031
1032     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1033     ///
1034     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1035
1036     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1037     /// function as they are computed.
1038     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1039
1040     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1041     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1042     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1043     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1044     /// exit value.
1045     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1046     
1047   public:
1048     ScalarEvolutionsImpl(Function &f, LoopInfo &li)
1049       : F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1050
1051     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1052     /// expression and create a new one.
1053     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1054
1055     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1056     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1057     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1058     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1059
1060
1061     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1062     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1063     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1064
1065     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1066     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1067     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1068     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1069
1070     /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1071     /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1072     /// that no dangling references are left around.
1073     void deleteInstructionFromRecords(Instruction *I);
1074
1075   private:
1076     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1077     /// Analyze the expression.
1078     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1079     SCEVHandle createNodeForCast(CastInst *CI);
1080
1081     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1082     /// SCEVs.
1083     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1084     void UpdatePHIUserScalarEntries(Instruction *I, PHINode *PN,
1085                                     std::set<Instruction*> &UpdatedInsts);
1086
1087     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1088     /// will iterate.
1089     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1090
1091     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1092     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1093     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1094     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1095     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1096     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1097                                                  bool ExitWhen);
1098
1099     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1100     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1101     /// UnknownValue
1102     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1103
1104     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1105     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1106     /// UnknownValue
1107     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1108
1109     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1110     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1111     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1112     /// involving constants, fold it.
1113     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its,
1114                                                 const Loop *L);
1115   };
1116 }
1117
1118 //===----------------------------------------------------------------------===//
1119 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1120 //
1121
1122 /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1123 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1124 /// that no dangling references are left around.
1125 void ScalarEvolutionsImpl::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) {
1126   Scalars.erase(I);
1127   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1128     ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1129 }
1130
1131
1132 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1133 /// expression and create a new one.
1134 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1135   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1136
1137   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1138   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1139   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1140   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1141   return S;
1142 }
1143
1144
1145 /// UpdatePHIUserScalarEntries - After PHI node analysis, we have a bunch of
1146 /// entries in the scalar map that refer to the "symbolic" PHI value instead of
1147 /// the recurrence value.  After we resolve the PHI we must loop over all of the
1148 /// using instructions that have scalar map entries and update them.
1149 void ScalarEvolutionsImpl::UpdatePHIUserScalarEntries(Instruction *I,
1150                                                       PHINode *PN,
1151                                         std::set<Instruction*> &UpdatedInsts) {
1152   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1153   if (SI == Scalars.end()) return;   // This scalar wasn't previous processed.
1154   if (UpdatedInsts.insert(I).second) {
1155     Scalars.erase(SI);                 // Remove the old entry
1156     getSCEV(I);                        // Calculate the new entry
1157     
1158     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1159          UI != E; ++UI)
1160       UpdatePHIUserScalarEntries(cast<Instruction>(*UI), PN, UpdatedInsts);
1161   }
1162 }
1163
1164
1165 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1166 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1167 ///
1168 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1169   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1170     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1171       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1172         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1173         // from outside the loop, and one from inside.
1174         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1175         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1176         
1177         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1178         SCEVHandle SymbolicName = SCEVUnknown::get(PN);
1179         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1180                "PHI node already processed?");
1181         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1182
1183         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1184         // the back-edge.
1185         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1186
1187         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1188         // has a special value for the first iteration of the loop.
1189
1190         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1191         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1192         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1193           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1194           // with a recurrence.
1195           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1196           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1197             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1198               if (FoundIndex == e) {
1199                 FoundIndex = i;
1200                 break;
1201               }
1202
1203           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1204             // Create an add with everything but the specified operand.
1205             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1206             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1207               if (i != FoundIndex)
1208                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1209             SCEVHandle Accum = SCEVAddExpr::get(Ops);
1210
1211             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1212             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1213             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1214                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1215                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1216               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1217               SCEVHandle PHISCEV  = SCEVAddRecExpr::get(StartVal, Accum, L);
1218
1219               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1220               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1221               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1222               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1223               // value.
1224               Scalars.find(PN)->second = PHISCEV;       // Update the PHI value
1225               std::set<Instruction*> UpdatedInsts;
1226               UpdatedInsts.insert(PN);
1227               for (Value::use_iterator UI = PN->use_begin(), E = PN->use_end();
1228                    UI != E; ++UI)
1229                 UpdatePHIUserScalarEntries(cast<Instruction>(*UI), PN,
1230                                            UpdatedInsts);
1231               return PHISCEV;
1232             }
1233           }
1234         }
1235
1236         return SymbolicName;
1237       }
1238   
1239   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1240   return SCEVUnknown::get(PN);
1241 }
1242
1243 /// createNodeForCast - Handle the various forms of casts that we support.
1244 ///
1245 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForCast(CastInst *CI) {
1246   const Type *SrcTy = CI->getOperand(0)->getType();
1247   const Type *DestTy = CI->getType();
1248   
1249   // If this is a noop cast (ie, conversion from int to uint), ignore it.
1250   if (SrcTy->isLosslesslyConvertibleTo(DestTy))
1251     return getSCEV(CI->getOperand(0));
1252   
1253   if (SrcTy->isInteger() && DestTy->isInteger()) {
1254     // Otherwise, if this is a truncating integer cast, we can represent this
1255     // cast.
1256     if (SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1257       return SCEVTruncateExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1258                                    CI->getType()->getUnsignedVersion());
1259     if (SrcTy->isUnsigned() &&
1260         SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1261       return SCEVZeroExtendExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1262                                      CI->getType()->getUnsignedVersion());
1263   }
1264
1265   // If this is an sign or zero extending cast and we can prove that the value
1266   // will never overflow, we could do similar transformations.
1267
1268   // Otherwise, we can't handle this cast!
1269   return SCEVUnknown::get(CI);
1270 }
1271
1272
1273 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1274 /// Analyze the expression.
1275 ///
1276 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1277   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1278     switch (I->getOpcode()) {
1279     case Instruction::Add:
1280       return SCEVAddExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1281                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1282     case Instruction::Mul:
1283       return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1284                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1285     case Instruction::Div:
1286       if (V->getType()->isInteger() && V->getType()->isUnsigned())
1287         return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1288                                  getSCEV(I->getOperand(1)));
1289       break;
1290
1291     case Instruction::Sub:
1292       return getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(I->getOperand(1)));
1293
1294     case Instruction::Shl:
1295       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1296       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1297         Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1298         X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1299         return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1300       }
1301       break;
1302
1303     case Instruction::Shr:
1304       if (ConstantUInt *SA = dyn_cast<ConstantUInt>(I->getOperand(1)))
1305         if (V->getType()->isUnsigned()) {
1306           Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1307           X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1308           return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1309         }
1310       break;
1311
1312     case Instruction::Cast:
1313       return createNodeForCast(cast<CastInst>(I));
1314
1315     case Instruction::PHI:
1316       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
1317
1318     default: // We cannot analyze this expression.
1319       break;
1320     }
1321   }
1322
1323   return SCEVUnknown::get(V);
1324 }
1325
1326
1327
1328 //===----------------------------------------------------------------------===//
1329 //                   Iteration Count Computation Code
1330 //
1331
1332 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1333 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1334 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1335 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1336   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1337   if (I == IterationCounts.end()) {
1338     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1339     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1340     if (ItCount != UnknownValue) {
1341       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1342              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1343       ++NumTripCountsComputed;
1344     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1345       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1346       ++NumTripCountsNotComputed;
1347     }
1348   }
1349   return I->second;
1350 }
1351
1352 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1353 /// will iterate.
1354 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1355   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1356   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
1357   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1358   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1359
1360   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1361   // loop to be exited.
1362   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1363
1364   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1365   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1366        PI != E; ++PI)
1367     if (L->contains(*PI)) {
1368       if (ExitingBlock == 0)
1369         ExitingBlock = *PI;
1370       else
1371         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1372     }
1373   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1374
1375   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1376   // exit.
1377   //
1378   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1379   // FIXME: We should handle cast of int to bool as well
1380   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1381   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1382   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1383   SetCondInst *ExitCond = dyn_cast<SetCondInst>(ExitBr->getCondition());
1384   if (ExitCond == 0)  // Not a setcc
1385     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1386                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1387
1388   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1389   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1390
1391   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1392   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1393   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1394   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1395   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1396
1397   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false.
1398   Instruction::BinaryOps Cond;
1399   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1400     Cond = ExitCond->getOpcode();
1401   else
1402     Cond = ExitCond->getInverseCondition();
1403
1404   // At this point, we would like to compute how many iterations of the loop the
1405   // predicate will return true for these inputs.
1406   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1407     // If there is a constant, force it into the RHS.
1408     std::swap(LHS, RHS);
1409     Cond = SetCondInst::getSwappedCondition(Cond);
1410   }
1411
1412   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1413   // while (P != P+100) ++P;
1414
1415   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1416   // ranges to answer this query.
1417   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1418     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1419       if (AddRec->getLoop() == L) {
1420         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1421         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1422         // comparison.
1423         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1424         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1425         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getCast(CompVal, RealTy));
1426         if (CompVal) {
1427           // Form the constant range.
1428           ConstantRange CompRange(Cond, CompVal);
1429           
1430           // Now that we have it, if it's signed, convert it to an unsigned
1431           // range.
1432           if (CompRange.getLower()->getType()->isSigned()) {
1433             const Type *NewTy = RHSC->getValue()->getType();
1434             Constant *NewL = ConstantExpr::getCast(CompRange.getLower(), NewTy);
1435             Constant *NewU = ConstantExpr::getCast(CompRange.getUpper(), NewTy);
1436             CompRange = ConstantRange(NewL, NewU);
1437           }
1438           
1439           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange);
1440           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1441         }
1442       }
1443   
1444   switch (Cond) {
1445   case Instruction::SetNE:                     // while (X != Y)
1446     // Convert to: while (X-Y != 0)
1447     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1448       SCEVHandle TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1449       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1450     }
1451     break;
1452   case Instruction::SetEQ:
1453     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1454     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1455       SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1456       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1457     }
1458     break;
1459   default:
1460 #if 0
1461     std::cerr << "ComputeIterationCount ";
1462     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1463       std::cerr << "[unsigned] ";
1464     std::cerr << *LHS << "   "
1465               << Instruction::getOpcodeName(Cond) << "   " << *RHS << "\n";
1466 #endif
1467     break;
1468   }
1469
1470   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
1471                                          ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1472 }
1473
1474 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
1475 /// specified type, assuming that all operands were constants.
1476 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
1477   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I) ||
1478       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
1479     return true;
1480   
1481   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
1482     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
1483       return canConstantFoldCallTo((Function*)F);  // FIXME: elim cast
1484   return false;
1485 }
1486
1487 /// ConstantFold - Constant fold an instruction of the specified type with the
1488 /// specified constant operands.  This function may modify the operands vector.
1489 static Constant *ConstantFold(const Instruction *I,
1490                               std::vector<Constant*> &Operands) {
1491   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I))
1492     return ConstantExpr::get(I->getOpcode(), Operands[0], Operands[1]);
1493
1494   switch (I->getOpcode()) {
1495   case Instruction::Cast:
1496     return ConstantExpr::getCast(Operands[0], I->getType());
1497   case Instruction::Select:
1498     return ConstantExpr::getSelect(Operands[0], Operands[1], Operands[2]);
1499   case Instruction::Call:
1500     if (ConstantPointerRef *CPR = dyn_cast<ConstantPointerRef>(Operands[0])) {
1501       Operands.erase(Operands.begin());
1502       return ConstantFoldCall(cast<Function>(CPR->getValue()), Operands);
1503     }
1504
1505     return 0;
1506   case Instruction::GetElementPtr:
1507     Constant *Base = Operands[0];
1508     Operands.erase(Operands.begin());
1509     return ConstantExpr::getGetElementPtr(Base, Operands);
1510   }
1511   return 0;
1512 }
1513
1514
1515 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
1516 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
1517 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
1518 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
1519 /// constraints, return null.
1520 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
1521   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
1522   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
1523   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1524   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
1525
1526   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1527     if (L->getHeader() == I->getParent())
1528       return PN;
1529     else
1530       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
1531       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
1532       return 0;
1533
1534   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
1535   // are constants, return early.
1536   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
1537   
1538   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
1539   // constant or derived from a PHI node themselves.
1540   PHINode *PHI = 0;
1541   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
1542     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
1543           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
1544       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
1545       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
1546       if (PHI == 0)
1547         PHI = P;
1548       else if (PHI != P)
1549         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
1550     }
1551
1552   // This is a expression evolving from a constant PHI!
1553   return PHI;
1554 }
1555
1556 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
1557 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
1558 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
1559 /// reason, return null.
1560 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
1561   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
1562   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
1563   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V))
1564     return ConstantPointerRef::get(GV);
1565   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1566
1567   std::vector<Constant*> Operands;
1568   Operands.resize(I->getNumOperands());
1569
1570   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1571     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
1572     if (Operands[i] == 0) return 0;
1573   }
1574
1575   return ConstantFold(I, Operands);
1576 }
1577
1578 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1579 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1580 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1581 /// involving constants, fold it.
1582 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
1583 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its, const Loop *L) {
1584   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
1585     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
1586   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
1587     return I->second;
1588
1589   if (Its > MaxBruteForceIterations) 
1590     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
1591
1592   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
1593
1594   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1595   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1596   // second must be derived from the same PHI.
1597   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1598   Constant *StartCST =
1599     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1600   if (StartCST == 0)
1601     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
1602
1603   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1604   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1605   if (PN2 != PN)
1606     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
1607
1608   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
1609   unsigned IterationNum = 0;
1610   unsigned NumIterations = Its;
1611   if (NumIterations != Its)
1612     return RetVal = 0;  // More than 2^32 iterations??
1613
1614   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
1615     if (IterationNum == NumIterations)
1616       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
1617
1618     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1619     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1620     if (NextPHI == PHIVal)
1621       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
1622     if (NextPHI == 0)
1623       return 0;        // Couldn't evaluate!
1624     PHIVal = NextPHI;
1625   }
1626 }
1627
1628 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1629 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1630 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1631 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1632 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1633 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1634 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
1635   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
1636   if (PN == 0) return UnknownValue;
1637
1638   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1639   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1640   // second must be derived from the same PHI.
1641   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1642   Constant *StartCST =
1643     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1644   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
1645
1646   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1647   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1648   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
1649
1650   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
1651   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
1652   // "ExitWhen".
1653   unsigned IterationNum = 0;
1654   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
1655   for (Constant *PHIVal = StartCST;
1656        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
1657     ConstantBool *CondVal =
1658       dyn_cast_or_null<ConstantBool>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
1659     if (!CondVal) return UnknownValue;     // Couldn't symbolically evaluate.
1660
1661     if (CondVal->getValue() == ExitWhen) {
1662       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
1663       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
1664       return SCEVConstant::get(ConstantUInt::get(Type::UIntTy, IterationNum));
1665     }
1666     
1667     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1668     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1669     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
1670       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
1671     PHIVal = NextPHI;
1672   }
1673
1674   // Too many iterations were needed to evaluate.
1675   return UnknownValue;
1676 }
1677
1678 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
1679 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1680 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
1681 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
1682   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
1683
1684   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
1685   
1686   // If this instruction is evolves from a constant-evolving PHI, compute the
1687   // exit value from the loop without using SCEVs.
1688   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
1689     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
1690       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
1691       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
1692         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1693           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
1694             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
1695             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
1696             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
1697             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
1698             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
1699               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
1700               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
1701               // the specified iteration number.
1702               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
1703                                                ICC->getValue()->getRawValue(),
1704                                                                LI);
1705               if (RV) return SCEVUnknown::get(RV);
1706             }
1707           }
1708
1709       // Okay, this is a some expression that we cannot symbolically evaluate
1710       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
1711       // the arguments into constants, and if see, try to constant propagate the
1712       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
1713       if (CanConstantFold(I)) {
1714         std::vector<Constant*> Operands;
1715         Operands.reserve(I->getNumOperands());
1716         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1717           Value *Op = I->getOperand(i);
1718           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
1719             Operands.push_back(C);
1720           } else if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(Op)) {
1721             Operands.push_back(ConstantPointerRef::get(GV));
1722           } else {
1723             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
1724             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
1725               Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(),
1726                                                        Op->getType()));
1727             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
1728               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
1729                 Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(C, Op->getType()));
1730               else
1731                 return V;
1732             } else {
1733               return V;
1734             }
1735           }
1736         }
1737         return SCEVUnknown::get(ConstantFold(I, Operands));
1738       }
1739     }
1740
1741     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
1742     return V;
1743   }
1744
1745   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
1746     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
1747     // expression has no loop-variant portions.
1748     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1749       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1750       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
1751         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1752         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
1753         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
1754         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
1755         NewOps.push_back(OpAtScope);
1756
1757         for (++i; i != e; ++i) {
1758           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1759           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1760           NewOps.push_back(OpAtScope);
1761         }
1762         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
1763           return SCEVAddExpr::get(NewOps);
1764         assert(isa<SCEVMulExpr>(Comm) && "Only know about add and mul!");
1765         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
1766       }
1767     }
1768     // If we got here, all operands are loop invariant.
1769     return Comm;
1770   }
1771
1772   if (SCEVUDivExpr *UDiv = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
1773     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(UDiv->getLHS(), L);
1774     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
1775     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(UDiv->getRHS(), L);
1776     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
1777     if (LHS == UDiv->getLHS() && RHS == UDiv->getRHS())
1778       return UDiv;   // must be loop invariant
1779     return SCEVUDivExpr::get(LHS, RHS);
1780   }
1781
1782   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
1783   // are dealing with the final value computed by the loop.
1784   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
1785     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
1786       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
1787       // loop iterates.  Compute this now.
1788       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
1789       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
1790       IterationCount = getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
1791                                                AddRec->getType());
1792       
1793       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
1794       // Start + Step*IterationCount.
1795       if (AddRec->isAffine())
1796         return SCEVAddExpr::get(AddRec->getStart(),
1797                                 SCEVMulExpr::get(IterationCount,
1798                                                  AddRec->getOperand(1)));
1799
1800       // Otherwise, evaluate it the hard way.
1801       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount);
1802     }
1803     return UnknownValue;
1804   }
1805
1806   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
1807   return UnknownValue;
1808 }
1809
1810
1811 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
1812 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
1813 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
1814 ///
1815 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
1816 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec) {
1817   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
1818   SCEVConstant *L = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
1819   SCEVConstant *M = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
1820   SCEVConstant *N = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
1821   
1822   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
1823   if (!L || !M || !N) {
1824     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
1825     return std::make_pair(CNC, CNC);
1826   }
1827
1828   Constant *Two = ConstantInt::get(L->getValue()->getType(), 2);
1829   
1830   // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
1831   Constant *C = L->getValue();
1832   // The B coefficient is M-N/2
1833   Constant *B = ConstantExpr::getSub(M->getValue(),
1834                                      ConstantExpr::getDiv(N->getValue(),
1835                                                           Two));
1836   // The A coefficient is N/2
1837   Constant *A = ConstantExpr::getDiv(N->getValue(), Two);
1838         
1839   // Compute the B^2-4ac term.
1840   Constant *SqrtTerm =
1841     ConstantExpr::getMul(ConstantInt::get(C->getType(), 4),
1842                          ConstantExpr::getMul(A, C));
1843   SqrtTerm = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getMul(B, B), SqrtTerm);
1844
1845   // Compute floor(sqrt(B^2-4ac))
1846   ConstantUInt *SqrtVal =
1847     cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(SqrtTerm,
1848                                    SqrtTerm->getType()->getUnsignedVersion()));
1849   uint64_t SqrtValV = SqrtVal->getValue();
1850   uint64_t SqrtValV2 = (uint64_t)sqrt(SqrtValV);
1851   // The square root might not be precise for arbitrary 64-bit integer
1852   // values.  Do some sanity checks to ensure it's correct.
1853   if (SqrtValV2*SqrtValV2 > SqrtValV ||
1854       (SqrtValV2+1)*(SqrtValV2+1) <= SqrtValV) {
1855     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
1856     return std::make_pair(CNC, CNC);
1857   }
1858
1859   SqrtVal = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, SqrtValV2);
1860   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtVal, SqrtTerm->getType());
1861   
1862   Constant *NegB = ConstantExpr::getNeg(B);
1863   Constant *TwoA = ConstantExpr::getMul(A, Two);
1864   
1865   // The divisions must be performed as signed divisions.
1866   const Type *SignedTy = NegB->getType()->getSignedVersion();
1867   NegB = ConstantExpr::getCast(NegB, SignedTy);
1868   TwoA = ConstantExpr::getCast(TwoA, SignedTy);
1869   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtTerm, SignedTy);
1870   
1871   Constant *Solution1 =
1872     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getAdd(NegB, SqrtTerm), TwoA);
1873   Constant *Solution2 =
1874     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getSub(NegB, SqrtTerm), TwoA);
1875   return std::make_pair(SCEVUnknown::get(Solution1),
1876                         SCEVUnknown::get(Solution2));
1877 }
1878
1879 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
1880 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
1881 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
1882   // If the value is a constant
1883   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
1884     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
1885     if (C->getValue()->isNullValue()) return C;
1886     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
1887   }
1888
1889   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
1890   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1891     return UnknownValue;
1892
1893   if (AddRec->isAffine()) {
1894     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
1895     // equal to:
1896     //
1897     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
1898     //
1899     // Get the initial value for the loop.
1900     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
1901     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
1902
1903     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
1904
1905     // Figure out if Start % Step == 0.
1906     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
1907     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
1908       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
1909         return getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
1910       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
1911         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
1912
1913       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
1914       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
1915         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
1916         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
1917         Constant *Rem = ConstantExpr::getRem(StartNegC, StepC->getValue());
1918         if (Rem->isNullValue()) {
1919           Constant *Result =ConstantExpr::getDiv(StartNegC,StepC->getValue());
1920           return SCEVUnknown::get(Result);
1921         }
1922       }
1923     }
1924   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
1925     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
1926     // the quadratic equation to solve it.
1927     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec);
1928     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
1929     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
1930     if (R1) {
1931 #if 0
1932       std::cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
1933                 << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
1934 #endif
1935       // Pick the smallest positive root value.
1936       assert(R1->getType()->isUnsigned()&&"Didn't canonicalize to unsigned?");
1937       if (ConstantBool *CB =
1938           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
1939                                                         R2->getValue()))) {
1940         if (CB != ConstantBool::True)
1941           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
1942           
1943         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
1944         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
1945         // should not accept a root of 2.
1946         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1);
1947         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
1948           if (EvalVal->getValue()->isNullValue())
1949             return R1;  // We found a quadratic root!
1950       }
1951     }
1952   }
1953   
1954   return UnknownValue;
1955 }
1956
1957 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1958 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1959 /// UnknownValue
1960 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
1961   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
1962   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
1963   // future as needed.
1964  
1965   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
1966   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
1967   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
1968     Constant *Zero = Constant::getNullValue(C->getValue()->getType());
1969     Constant *NonZero = ConstantExpr::getSetNE(C->getValue(), Zero);
1970     if (NonZero == ConstantBool::True)
1971       return getSCEV(Zero);
1972     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
1973   }
1974   
1975   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
1976   // this, and if they did, they would already be constant folded.
1977   return UnknownValue;
1978 }
1979
1980 static ConstantInt *
1981 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, Constant *C) {
1982   SCEVHandle InVal = SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(C));
1983   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal);
1984   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
1985          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
1986   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
1987 }
1988
1989
1990 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
1991 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
1992 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
1993 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
1994 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
1995 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range) const {
1996   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
1997     return new SCEVCouldNotCompute();
1998
1999   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2000   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2001     if (!SC->getValue()->isNullValue()) {
2002       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2003       Operands[0] = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2004       SCEVHandle Shifted = SCEVAddRecExpr::get(Operands, getLoop());
2005       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2006         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2007                                               Range.subtract(SC->getValue()));
2008       // This is strange and shouldn't happen.
2009       return new SCEVCouldNotCompute();
2010     }
2011
2012   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2013   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2014   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2015     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2016       return new SCEVCouldNotCompute();
2017
2018
2019   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2020   // that the start element is zero.
2021
2022   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2023   // iteration exits.
2024   ConstantInt *Zero = ConstantInt::get(getType(), 0);
2025   if (!Range.contains(Zero)) return SCEVConstant::get(Zero);
2026   
2027   if (isAffine()) {
2028     // If this is an affine expression then we have this situation:
2029     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2030
2031     // Since we know that zero is in the range, we know that the upper value of
2032     // the range must be the first possible exit value.  Also note that we
2033     // already checked for a full range.
2034     ConstantInt *Upper = cast<ConstantInt>(Range.getUpper());
2035     ConstantInt *A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue();
2036     ConstantInt *One   = ConstantInt::get(getType(), 1);
2037
2038     // The exit value should be (Upper+A-1)/A.
2039     Constant *ExitValue = Upper;
2040     if (A != One) {
2041       ExitValue = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getAdd(Upper, A), One);
2042       ExitValue = ConstantExpr::getDiv(ExitValue, A);
2043     }
2044     assert(isa<ConstantInt>(ExitValue) &&
2045            "Constant folding of integers not implemented?");
2046
2047     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2048     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2049     // things must have happened.
2050     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue);
2051     if (Range.contains(Val))
2052       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2053
2054     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2055     assert(Range.contains(EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2056                               ConstantExpr::getSub(ExitValue, One))) &&
2057            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2058     return SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(ExitValue));
2059   } else if (isQuadratic()) {
2060     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2061     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2062     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2063     // Range.getUpper() is crossed.
2064     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2065     NewOps[0] = getNegativeSCEV(SCEVUnknown::get(Range.getUpper()));
2066     SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, getLoop());
2067
2068     // Next, solve the constructed addrec
2069     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2070       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec));
2071     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2072     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2073     if (R1) {
2074       // Pick the smallest positive root value.
2075       assert(R1->getType()->isUnsigned() && "Didn't canonicalize to unsigned?");
2076       if (ConstantBool *CB =
2077           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
2078                                                         R2->getValue()))) {
2079         if (CB != ConstantBool::True)
2080           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2081           
2082         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2083         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2084         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2085         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2086                                                              R1->getValue());
2087         if (Range.contains(R1Val)) {
2088           // The next iteration must be out of the range...
2089           Constant *NextVal =
2090             ConstantExpr::getAdd(R1->getValue(),
2091                                  ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2092           
2093           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2094           if (!Range.contains(R1Val))
2095             return SCEVUnknown::get(NextVal);
2096           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2097         }
2098    
2099         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2100         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2101         Constant *NextVal =
2102           ConstantExpr::getSub(R1->getValue(),
2103                                ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2104         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2105         if (Range.contains(R1Val))
2106           return R1;
2107         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2108       }
2109     }
2110   }
2111
2112   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2113   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2114   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2115   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2116   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2117   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2118   ConstantInt *One     = ConstantInt::get(getType(), 1);
2119   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2120   do {
2121     ++NumBruteForceEvaluations;
2122     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SCEVConstant::get(TestVal));
2123     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2124       return new SCEVCouldNotCompute();
2125
2126     // Check to see if we found the value!
2127     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()))
2128       return SCEVConstant::get(TestVal);
2129
2130     // Increment to test the next index.
2131     TestVal = cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getAdd(TestVal, One));
2132   } while (TestVal != EndVal);
2133   
2134   return new SCEVCouldNotCompute();
2135 }
2136
2137
2138
2139 //===----------------------------------------------------------------------===//
2140 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2141 //===----------------------------------------------------------------------===//
2142
2143 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2144   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(F, getAnalysis<LoopInfo>());
2145   return false;
2146 }
2147
2148 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2149   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2150   Impl = 0;
2151 }
2152
2153 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2154   AU.setPreservesAll();
2155   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
2156   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2157 }
2158
2159 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2160   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2161 }
2162
2163 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2164   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2165 }
2166
2167 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2168   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2169 }
2170
2171 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2172   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2173 }
2174
2175 void ScalarEvolution::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) const {
2176   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteInstructionFromRecords(I);
2177 }
2178
2179
2180 /// shouldSubstituteIndVar - Return true if we should perform induction variable
2181 /// substitution for this variable.  This is a hack because we don't have a
2182 /// strength reduction pass yet.  When we do we will promote all vars, because
2183 /// we can strength reduce them later as desired.
2184 bool ScalarEvolution::shouldSubstituteIndVar(const SCEV *S) const {
2185   // Don't substitute high degree polynomials.
2186   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
2187     if (AddRec->getNumOperands() > 3) return false;
2188   return true;
2189 }
2190
2191
2192 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE, 
2193                           const Loop *L) {
2194   // Print all inner loops first
2195   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2196     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2197   
2198   std::cerr << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2199
2200   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
2201   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2202   if (ExitBlocks.size() != 1)
2203     std::cerr << "<multiple exits> ";
2204
2205   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2206     std::cerr << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2207   } else {
2208     std::cerr << "Unpredictable iteration count. ";
2209   }
2210
2211   std::cerr << "\n";
2212 }
2213
2214 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS) const {
2215   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2216   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2217
2218   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2219   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2220     if (I->getType()->isInteger()) {
2221       OS << *I;
2222       OS << "  --> ";
2223       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2224       SV->print(OS);
2225       OS << "\t\t";
2226       
2227       if ((*I).getType()->isIntegral()) {
2228         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2229         if (!Bounds.isFullSet())
2230           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2231       }
2232
2233       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2234         OS << "Exits: ";
2235         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2236         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2237           OS << "<<Unknown>>";
2238         } else {
2239           OS << *ExitValue;
2240         }
2241       }
2242
2243
2244       OS << "\n";
2245     }
2246
2247   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2248   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2249     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2250 }
2251