This nutty patch has been in my tree since before 1.3 went out, and it needs
[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/GlobalVariable.h"
66 #include "llvm/Instructions.h"
67 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
68 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
69 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
70 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
71 #include "llvm/Support/CFG.h"
72 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
73 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
74 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
75 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
76 #include <cmath>
77 #include <algorithm>
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 "
87                            "calculate high-order polynomial exit values");
88   Statistic<>
89   NumArrayLenItCounts("scalar-evolution",
90                       "Number of trip counts computed with array length");
91   Statistic<>
92   NumTripCountsComputed("scalar-evolution",
93                         "Number of loops with predictable loop counts");
94   Statistic<>
95   NumTripCountsNotComputed("scalar-evolution",
96                            "Number of loops without predictable loop counts");
97   Statistic<>
98   NumBruteForceTripCountsComputed("scalar-evolution",
99                         "Number of loops with trip counts computed by force");
100
101   cl::opt<unsigned>
102   MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
103                           cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will symbolically execute a constant derived loop"),
104                           cl::init(100));
105 }
106
107 //===----------------------------------------------------------------------===//
108 //                           SCEV class definitions
109 //===----------------------------------------------------------------------===//
110
111 //===----------------------------------------------------------------------===//
112 // Implementation of the SCEV class.
113 //
114 SCEV::~SCEV() {}
115 void SCEV::dump() const {
116   print(std::cerr);
117 }
118
119 /// getValueRange - Return the tightest constant bounds that this value is
120 /// known to have.  This method is only valid on integer SCEV objects.
121 ConstantRange SCEV::getValueRange() const {
122   const Type *Ty = getType();
123   assert(Ty->isInteger() && "Can't get range for a non-integer SCEV!");
124   Ty = Ty->getUnsignedVersion();
125   // Default to a full range if no better information is available.
126   return ConstantRange(getType());
127 }
128
129
130 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
131
132 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
133   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
134   return false;
135 }
136
137 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
138   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
139   return 0;
140 }
141
142 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
143   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
144   return false;
145 }
146
147 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
148   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
149 }
150
151 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
152   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
153 }
154
155
156 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
157 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
158 // never be deleted!
159 static std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> SCEVConstants;
160   
161
162 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
163   SCEVConstants.erase(V);
164 }
165
166 SCEVHandle SCEVConstant::get(ConstantInt *V) {
167   // Make sure that SCEVConstant instances are all unsigned.
168   if (V->getType()->isSigned()) {
169     const Type *NewTy = V->getType()->getUnsignedVersion();
170     V = cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(V, NewTy));
171   }
172   
173   SCEVConstant *&R = SCEVConstants[V];
174   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
175   return R;
176 }
177
178 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
179   return ConstantRange(V);
180 }
181
182 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
183
184 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
185   WriteAsOperand(OS, V, false);
186 }
187
188 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
189 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
190 // never be deleted!
191 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, SCEVTruncateExpr*> SCEVTruncates;
192
193 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
194   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
195   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
196          Ty->isUnsigned() &&
197          "Cannot truncate non-integer value!");
198   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize() &&
199          "This is not a truncating conversion!");
200 }
201
202 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
203   SCEVTruncates.erase(std::make_pair(Op, Ty));
204 }
205
206 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
207   return getOperand()->getValueRange().truncate(getType());
208 }
209
210 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
211   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
212 }
213
214 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
215 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
216 // be deleted!
217 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
218                 SCEVZeroExtendExpr*> SCEVZeroExtends;
219
220 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
221   : SCEV(scTruncate), Op(Op), Ty(ty) {
222   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
223          Ty->isUnsigned() &&
224          "Cannot zero extend non-integer value!");
225   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() < Ty->getPrimitiveSize() &&
226          "This is not an extending conversion!");
227 }
228
229 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
230   SCEVZeroExtends.erase(std::make_pair(Op, Ty));
231 }
232
233 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
234   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getType());
235 }
236
237 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
238   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
239 }
240
241 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
242 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
243 // be deleted!
244 static std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
245                 SCEVCommutativeExpr*> SCEVCommExprs;
246
247 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
248   SCEVCommExprs.erase(std::make_pair(getSCEVType(),
249                                      std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
250                                                         Operands.end())));
251 }
252
253 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
254   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
255   const char *OpStr = getOperationStr();
256   OS << "(" << *Operands[0];
257   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
258     OS << OpStr << *Operands[i];
259   OS << ")";
260 }
261
262 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
263 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
264 // deleted!
265 static std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, SCEVUDivExpr*> SCEVUDivs;
266
267 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
268   SCEVUDivs.erase(std::make_pair(LHS, RHS));
269 }
270
271 void SCEVUDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
272   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
273 }
274
275 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
276   const Type *Ty = LHS->getType();
277   if (Ty->isSigned()) Ty = Ty->getUnsignedVersion();
278   return Ty;
279 }
280
281 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
282 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
283 // be deleted!
284 static std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
285                 SCEVAddRecExpr*> SCEVAddRecExprs;
286
287 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
288   SCEVAddRecExprs.erase(std::make_pair(L,
289                                        std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
290                                                           Operands.end())));
291 }
292
293 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
294   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
295   // contain L.
296   return !QueryLoop->contains(L->getHeader());
297 }
298
299
300 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
301   OS << "{" << *Operands[0];
302   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
303     OS << ",+," << *Operands[i];
304   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
305 }
306
307 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
308 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
309 // deleted!
310 static std::map<Value*, SCEVUnknown*> SCEVUnknowns;
311
312 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns.erase(V); }
313
314 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
315   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
316   // invariant if they are not contained in the specified loop.
317   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
318     return !L->contains(I->getParent());
319   return true;
320 }
321
322 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
323   return V->getType();
324 }
325
326 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
327   WriteAsOperand(OS, V, false);
328 }
329
330 //===----------------------------------------------------------------------===//
331 //                               SCEV Utilities
332 //===----------------------------------------------------------------------===//
333
334 namespace {
335   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
336   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
337   /// expressions.
338   struct SCEVComplexityCompare {
339     bool operator()(SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
340       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
341     }
342   };
343 }
344
345 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
346 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
347 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
348 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
349 ///
350 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
351 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
352 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
353 /// land in memory.
354 ///
355 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
356   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
357   if (Ops.size() == 2) {
358     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
359     // Special case it.
360     if (Ops[0]->getSCEVType() > Ops[1]->getSCEVType())
361       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
362     return;
363   }
364
365   // Do the rough sort by complexity.
366   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
367
368   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
369   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
370   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
371   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
372   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
373     SCEV *S = Ops[i];
374     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
375
376     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
377     // one, group them.
378     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
379       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
380         // Move it to immediately after i'th element.
381         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
382         ++i;   // no need to rescan it.
383         if (i == e-2) return;  // Done!
384       }
385     }
386   }
387 }
388
389
390
391 //===----------------------------------------------------------------------===//
392 //                      Simple SCEV method implementations
393 //===----------------------------------------------------------------------===//
394
395 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
396 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
397 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
398   Constant *C;
399   if (Val == 0) 
400     C = Constant::getNullValue(Ty);
401   else if (Ty->isFloatingPoint())
402     C = ConstantFP::get(Ty, Val);
403   else if (Ty->isSigned())
404     C = ConstantSInt::get(Ty, Val);
405   else {
406     C = ConstantSInt::get(Ty->getSignedVersion(), Val);
407     C = ConstantExpr::getCast(C, Ty);
408   }
409   return SCEVUnknown::get(C);
410 }
411
412 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
413 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
414 /// extended.
415 static SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty) {
416   const Type *SrcTy = V->getType();
417   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
418          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
419   if (SrcTy->getPrimitiveSize() == Ty->getPrimitiveSize())
420     return V;  // No conversion
421   if (SrcTy->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize())
422     return SCEVTruncateExpr::get(V, Ty);
423   return SCEVZeroExtendExpr::get(V, Ty);
424 }
425
426 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
427 ///
428 static SCEVHandle getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
429   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
430     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
431   
432   return SCEVMulExpr::get(V, SCEVUnknown::getIntegerSCEV(-1, V->getType()));
433 }
434
435 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
436 ///
437 static SCEVHandle getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
438   // X - Y --> X + -Y
439   return SCEVAddExpr::get(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
440 }
441
442
443 /// Binomial - Evaluate N!/((N-M)!*M!)  .  Note that N is often large and M is
444 /// often very small, so we try to reduce the number of N! terms we need to
445 /// evaluate by evaluating this as  (N!/(N-M)!)/M!
446 static ConstantInt *Binomial(ConstantInt *N, unsigned M) {
447   uint64_t NVal = N->getRawValue();
448   uint64_t FirstTerm = 1;
449   for (unsigned i = 0; i != M; ++i)
450     FirstTerm *= NVal-i;
451
452   unsigned MFactorial = 1;
453   for (; M; --M)
454     MFactorial *= M;
455
456   Constant *Result = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, FirstTerm/MFactorial);
457   Result = ConstantExpr::getCast(Result, N->getType());
458   assert(isa<ConstantInt>(Result) && "Cast of integer not folded??");
459   return cast<ConstantInt>(Result);
460 }
461
462 /// PartialFact - Compute V!/(V-NumSteps)!
463 static SCEVHandle PartialFact(SCEVHandle V, unsigned NumSteps) {
464   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
465   // counts while computing loop exit values.
466   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
467     uint64_t Val = SC->getValue()->getRawValue();
468     uint64_t Result = 1;
469     for (; NumSteps; --NumSteps)
470       Result *= Val-(NumSteps-1);
471     Constant *Res = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, Result);
472     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(Res, V->getType()));
473   }
474
475   const Type *Ty = V->getType();
476   if (NumSteps == 0)
477     return SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
478   
479   SCEVHandle Result = V;
480   for (unsigned i = 1; i != NumSteps; ++i)
481     Result = SCEVMulExpr::get(Result, getMinusSCEV(V,
482                                           SCEVUnknown::getIntegerSCEV(i, Ty)));
483   return Result;
484 }
485
486
487 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
488 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
489 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
490 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
491 ///
492 ///   A*choose(It, 0) + B*choose(It, 1) + C*choose(It, 2) + D*choose(It, 3)
493 ///
494 /// FIXME/VERIFY: I don't trust that this is correct in the face of overflow.
495 /// Is the binomial equation safe using modular arithmetic??
496 ///
497 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It) const {
498   SCEVHandle Result = getStart();
499   int Divisor = 1;
500   const Type *Ty = It->getType();
501   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
502     SCEVHandle BC = PartialFact(It, i);
503     Divisor *= i;
504     SCEVHandle Val = SCEVUDivExpr::get(SCEVMulExpr::get(BC, getOperand(i)),
505                                        SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Divisor,Ty));
506     Result = SCEVAddExpr::get(Result, Val);
507   }
508   return Result;
509 }
510
511
512 //===----------------------------------------------------------------------===//
513 //                    SCEV Expression folder implementations
514 //===----------------------------------------------------------------------===//
515
516 SCEVHandle SCEVTruncateExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
517   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
518     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
519
520   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
521   // all of the constants.
522   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
523     std::vector<SCEVHandle> Operands;
524     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
525       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
526       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
527         Operands.push_back(get(AddRec->getOperand(i), Ty));
528       else
529         break;
530     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
531       return SCEVAddRecExpr::get(Operands, AddRec->getLoop());
532   }
533
534   SCEVTruncateExpr *&Result = SCEVTruncates[std::make_pair(Op, Ty)];
535   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
536   return Result;
537 }
538
539 SCEVHandle SCEVZeroExtendExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
540   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
541     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
542
543   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
544   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
545   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
546   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
547
548   SCEVZeroExtendExpr *&Result = SCEVZeroExtends[std::make_pair(Op, Ty)];
549   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
550   return Result;
551 }
552
553 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
554 SCEVHandle SCEVAddExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
555   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
556   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
557
558   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
559   GroupByComplexity(Ops);
560
561   // If there are any constants, fold them together.
562   unsigned Idx = 0;
563   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
564     ++Idx;
565     assert(Idx < Ops.size());
566     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
567       // We found two constants, fold them together!
568       Constant *Fold = ConstantExpr::getAdd(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
569       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
570         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
571         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
572         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
573       } else {
574         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
575         // that this is impossible to happen in practice because we always
576         // constant fold constant ints to constant ints.
577         ++Idx;
578       }
579     }
580
581     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
582     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
583       Ops.erase(Ops.begin());
584       --Idx;
585     }
586   }
587
588   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
589   
590   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
591   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
592   // list, these values are required to be adjacent.
593   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
594   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
595     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
596       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
597       // remaining values to the result.
598       SCEVHandle Two = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(2, Ty);
599       SCEVHandle Mul = SCEVMulExpr::get(Ops[i], Two);
600       if (Ops.size() == 2)
601         return Mul;
602       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
603       Ops.push_back(Mul);
604       return SCEVAddExpr::get(Ops);
605     }
606
607   // Okay, now we know the first non-constant operand.  If there are add
608   // operands they would be next.
609   if (Idx < Ops.size()) {
610     bool DeletedAdd = false;
611     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
612       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
613       // list.
614       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
615       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
616       DeletedAdd = true;
617     }
618
619     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
620     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
621     // any operands we just aquired.
622     if (DeletedAdd)
623       return get(Ops);
624   }
625
626   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
627   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
628     ++Idx;
629
630   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
631   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
632   // the multiply.
633   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
634     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
635     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
636       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
637       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
638         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] &&
639             (Mul->getNumOperands() != 2 || !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV))) {
640           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
641           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
642           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
643             // If the multiply has more than two operands, we must get the
644             // Y*Z term.
645             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
646             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
647             InnerMul = SCEVMulExpr::get(MulOps);
648           }
649           SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
650           SCEVHandle AddOne = SCEVAddExpr::get(InnerMul, One);
651           SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(AddOne, Ops[AddOp]);
652           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
653           if (AddOp < Idx) {
654             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
655             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
656           } else {
657             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
658             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
659           }
660           Ops.push_back(OuterMul);
661           return SCEVAddExpr::get(Ops);
662         }
663       
664       // Check this multiply against other multiplies being added together.
665       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
666            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
667            ++OtherMulIdx) {
668         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
669         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
670         // together.
671         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
672              OMulOp != e; ++OMulOp)
673           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
674             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
675             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
676             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
677               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
678               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
679               InnerMul1 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
680             }
681             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
682             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
683               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
684                                              OtherMul->op_end());
685               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
686               InnerMul2 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
687             }
688             SCEVHandle InnerMulSum = SCEVAddExpr::get(InnerMul1,InnerMul2);
689             SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(MulOpSCEV, InnerMulSum);
690             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
691             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
692             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
693             Ops.push_back(OuterMul);
694             return SCEVAddExpr::get(Ops);
695           }
696       }
697     }
698   }
699
700   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
701   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
702   // recurrence.
703   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
704     ++Idx;
705
706   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
707   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
708     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
709     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
710     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
711     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
712     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
713       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
714         LIOps.push_back(Ops[i]);
715         Ops.erase(Ops.begin()+i);
716         --i; --e;
717       }
718
719     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
720     if (!LIOps.empty()) {
721       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
722       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
723
724       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
725       AddRecOps[0] = SCEVAddExpr::get(LIOps);
726
727       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(AddRecOps, AddRec->getLoop());
728       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
729       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
730
731       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
732       for (unsigned i = 0;; ++i)
733         if (Ops[i] == AddRec) {
734           Ops[i] = NewRec;
735           break;
736         }
737       return SCEVAddExpr::get(Ops);
738     }
739
740     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
741     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
742     // added together.  If so, we can fold them.
743     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
744          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
745       if (OtherIdx != Idx) {
746         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
747         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
748           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
749           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
750           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
751             if (i >= NewOps.size()) {
752               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
753                             OtherAddRec->op_end());
754               break;
755             }
756             NewOps[i] = SCEVAddExpr::get(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
757           }
758           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
759
760           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
761
762           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
763           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
764           Ops.push_back(NewAddRec);
765           return SCEVAddExpr::get(Ops);
766         }
767       }
768
769     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
770     // next one.
771   }
772
773   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
774   // already have one, otherwise create a new one.
775   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
776   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scAddExpr,
777                                                               SCEVOps)];
778   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
779   return Result;
780 }
781
782
783 SCEVHandle SCEVMulExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
784   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
785
786   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
787   GroupByComplexity(Ops);
788
789   // If there are any constants, fold them together.
790   unsigned Idx = 0;
791   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
792
793     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
794     if (Ops.size() == 2)
795       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
796         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
797             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
798           return SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(0)),
799                                   SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(1)));
800
801
802     ++Idx;
803     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
804       // We found two constants, fold them together!
805       Constant *Fold = ConstantExpr::getMul(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
806       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
807         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
808         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
809         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
810       } else {
811         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
812         // that this is impossible to happen in practice because we always
813         // constant fold constant ints to constant ints.
814         ++Idx;
815       }
816     }
817
818     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
819     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
820       Ops.erase(Ops.begin());
821       --Idx;
822     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
823       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
824       return Ops[0];
825     }
826   }
827
828   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
829   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
830     ++Idx;
831
832   if (Ops.size() == 1)
833     return Ops[0];
834   
835   // If there are mul operands inline them all into this expression.
836   if (Idx < Ops.size()) {
837     bool DeletedMul = false;
838     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
839       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
840       // list.
841       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
842       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
843       DeletedMul = true;
844     }
845
846     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
847     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
848     // any operands we just aquired.
849     if (DeletedMul)
850       return get(Ops);
851   }
852
853   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
854   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
855   // recurrence.
856   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
857     ++Idx;
858
859   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
860   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
861     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
862     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
863     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
864     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
865     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
866       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
867         LIOps.push_back(Ops[i]);
868         Ops.erase(Ops.begin()+i);
869         --i; --e;
870       }
871
872     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
873     if (!LIOps.empty()) {
874       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
875       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
876       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
877       if (LIOps.size() == 1) {
878         SCEV *Scale = LIOps[0];
879         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
880           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(Scale, AddRec->getOperand(i)));
881       } else {
882         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
883           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
884           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
885           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(MulOps));
886         }
887       }
888
889       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
890
891       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
892       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
893
894       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
895       for (unsigned i = 0;; ++i)
896         if (Ops[i] == AddRec) {
897           Ops[i] = NewRec;
898           break;
899         }
900       return SCEVMulExpr::get(Ops);
901     }
902
903     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
904     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
905     // multiplied together.  If so, we can fold them.
906     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
907          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
908       if (OtherIdx != Idx) {
909         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
910         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
911           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
912           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
913           SCEVHandle NewStart = SCEVMulExpr::get(F->getStart(),
914                                                  G->getStart());
915           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence();
916           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence();
917           SCEVHandle NewStep = SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(F, D),
918                                                 SCEVMulExpr::get(G, B),
919                                                 SCEVMulExpr::get(B, D));
920           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewStart, NewStep,
921                                                      F->getLoop());
922           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
923
924           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
925           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
926           Ops.push_back(NewAddRec);
927           return SCEVMulExpr::get(Ops);
928         }
929       }
930
931     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
932     // next one.
933   }
934
935   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
936   // already have one, otherwise create a new one.
937   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
938   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scMulExpr,
939                                                               SCEVOps)];
940   if (Result == 0) Result = new SCEVMulExpr(Ops);
941   return Result;
942 }
943
944 SCEVHandle SCEVUDivExpr::get(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
945   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
946     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
947       return LHS;                            // X /u 1 --> x
948     if (RHSC->getValue()->isAllOnesValue())
949       return getNegativeSCEV(LHS);           // X /u -1  -->  -x
950
951     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
952       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
953       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
954       if (LHSCV->getType()->isSigned())
955         LHSCV = ConstantExpr::getCast(LHSCV,
956                                       LHSCV->getType()->getUnsignedVersion());
957       if (RHSCV->getType()->isSigned())
958         RHSCV = ConstantExpr::getCast(RHSCV, LHSCV->getType());
959       return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getDiv(LHSCV, RHSCV));
960     }
961   }
962
963   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
964
965   SCEVUDivExpr *&Result = SCEVUDivs[std::make_pair(LHS, RHS)];
966   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
967   return Result;
968 }
969
970
971 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
972 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
973 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(const SCEVHandle &Start,
974                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
975   std::vector<SCEVHandle> Operands;
976   Operands.push_back(Start);
977   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
978     if (StepChrec->getLoop() == L) {
979       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
980                       StepChrec->op_end());
981       return get(Operands, L);
982     }
983
984   Operands.push_back(Step);
985   return get(Operands, L);
986 }
987
988 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
989 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
990 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
991                                const Loop *L) {
992   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
993
994   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
995     if (StepC->getValue()->isNullValue()) {
996       Operands.pop_back();
997       return get(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
998     }
999
1000   SCEVAddRecExpr *&Result =
1001     SCEVAddRecExprs[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1002                                                          Operands.end()))];
1003   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1004   return Result;
1005 }
1006
1007 SCEVHandle SCEVUnknown::get(Value *V) {
1008   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1009     return SCEVConstant::get(CI);
1010   SCEVUnknown *&Result = SCEVUnknowns[V];
1011   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1012   return Result;
1013 }
1014
1015
1016 //===----------------------------------------------------------------------===//
1017 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1018 //===----------------------------------------------------------------------===//
1019 //
1020 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1021 /// evolution code.
1022 ///
1023 namespace {
1024   struct ScalarEvolutionsImpl {
1025     /// F - The function we are analyzing.
1026     ///
1027     Function &F;
1028
1029     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1030     ///
1031     LoopInfo &LI;
1032
1033     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1034     /// things.
1035     SCEVHandle UnknownValue;
1036
1037     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1038     ///
1039     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1040
1041     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1042     /// function as they are computed.
1043     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1044
1045     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1046     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1047     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1048     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1049     /// exit value.
1050     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1051     
1052   public:
1053     ScalarEvolutionsImpl(Function &f, LoopInfo &li)
1054       : F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1055
1056     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1057     /// expression and create a new one.
1058     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1059
1060     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1061     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1062     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1063     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1064
1065
1066     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1067     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1068     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1069
1070     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1071     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1072     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1073     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1074
1075     /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1076     /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1077     /// that no dangling references are left around.
1078     void deleteInstructionFromRecords(Instruction *I);
1079
1080   private:
1081     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1082     /// Analyze the expression.
1083     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1084     SCEVHandle createNodeForCast(CastInst *CI);
1085
1086     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1087     /// SCEVs.
1088     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1089     void UpdatePHIUserScalarEntries(Instruction *I, PHINode *PN,
1090                                     std::set<Instruction*> &UpdatedInsts);
1091
1092     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1093     /// will iterate.
1094     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1095
1096     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1097     /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1098     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1099                                                         Constant *RHS,
1100                                                         const Loop *L,
1101                                                         unsigned SetCCOpcode);
1102
1103     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1104     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1105     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1106     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1107     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1108     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1109                                                  bool ExitWhen);
1110
1111     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1112     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1113     /// UnknownValue
1114     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1115
1116     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1117     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1118     /// UnknownValue
1119     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1120
1121     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1122     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1123     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1124     /// involving constants, fold it.
1125     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its,
1126                                                 const Loop *L);
1127   };
1128 }
1129
1130 //===----------------------------------------------------------------------===//
1131 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1132 //
1133
1134 /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1135 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1136 /// that no dangling references are left around.
1137 void ScalarEvolutionsImpl::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) {
1138   Scalars.erase(I);
1139   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1140     ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1141 }
1142
1143
1144 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1145 /// expression and create a new one.
1146 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1147   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1148
1149   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1150   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1151   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1152   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1153   return S;
1154 }
1155
1156
1157 /// UpdatePHIUserScalarEntries - After PHI node analysis, we have a bunch of
1158 /// entries in the scalar map that refer to the "symbolic" PHI value instead of
1159 /// the recurrence value.  After we resolve the PHI we must loop over all of the
1160 /// using instructions that have scalar map entries and update them.
1161 void ScalarEvolutionsImpl::UpdatePHIUserScalarEntries(Instruction *I,
1162                                                       PHINode *PN,
1163                                         std::set<Instruction*> &UpdatedInsts) {
1164   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1165   if (SI == Scalars.end()) return;   // This scalar wasn't previous processed.
1166   if (UpdatedInsts.insert(I).second) {
1167     Scalars.erase(SI);                 // Remove the old entry
1168     getSCEV(I);                        // Calculate the new entry
1169     
1170     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1171          UI != E; ++UI)
1172       UpdatePHIUserScalarEntries(cast<Instruction>(*UI), PN, UpdatedInsts);
1173   }
1174 }
1175
1176
1177 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1178 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1179 ///
1180 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1181   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1182     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1183       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1184         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1185         // from outside the loop, and one from inside.
1186         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1187         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1188         
1189         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1190         SCEVHandle SymbolicName = SCEVUnknown::get(PN);
1191         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1192                "PHI node already processed?");
1193         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1194
1195         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1196         // the back-edge.
1197         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1198
1199         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1200         // has a special value for the first iteration of the loop.
1201
1202         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1203         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1204         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1205           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1206           // with a recurrence.
1207           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1208           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1209             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1210               if (FoundIndex == e) {
1211                 FoundIndex = i;
1212                 break;
1213               }
1214
1215           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1216             // Create an add with everything but the specified operand.
1217             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1218             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1219               if (i != FoundIndex)
1220                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1221             SCEVHandle Accum = SCEVAddExpr::get(Ops);
1222
1223             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1224             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1225             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1226                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1227                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1228               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1229               SCEVHandle PHISCEV  = SCEVAddRecExpr::get(StartVal, Accum, L);
1230
1231               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1232               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1233               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1234               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1235               // value.
1236               Scalars.find(PN)->second = PHISCEV;       // Update the PHI value
1237               std::set<Instruction*> UpdatedInsts;
1238               UpdatedInsts.insert(PN);
1239               for (Value::use_iterator UI = PN->use_begin(), E = PN->use_end();
1240                    UI != E; ++UI)
1241                 UpdatePHIUserScalarEntries(cast<Instruction>(*UI), PN,
1242                                            UpdatedInsts);
1243               return PHISCEV;
1244             }
1245           }
1246         }
1247
1248         return SymbolicName;
1249       }
1250   
1251   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1252   return SCEVUnknown::get(PN);
1253 }
1254
1255 /// createNodeForCast - Handle the various forms of casts that we support.
1256 ///
1257 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForCast(CastInst *CI) {
1258   const Type *SrcTy = CI->getOperand(0)->getType();
1259   const Type *DestTy = CI->getType();
1260   
1261   // If this is a noop cast (ie, conversion from int to uint), ignore it.
1262   if (SrcTy->isLosslesslyConvertibleTo(DestTy))
1263     return getSCEV(CI->getOperand(0));
1264   
1265   if (SrcTy->isInteger() && DestTy->isInteger()) {
1266     // Otherwise, if this is a truncating integer cast, we can represent this
1267     // cast.
1268     if (SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1269       return SCEVTruncateExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1270                                    CI->getType()->getUnsignedVersion());
1271     if (SrcTy->isUnsigned() &&
1272         SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1273       return SCEVZeroExtendExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1274                                      CI->getType()->getUnsignedVersion());
1275   }
1276
1277   // If this is an sign or zero extending cast and we can prove that the value
1278   // will never overflow, we could do similar transformations.
1279
1280   // Otherwise, we can't handle this cast!
1281   return SCEVUnknown::get(CI);
1282 }
1283
1284
1285 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1286 /// Analyze the expression.
1287 ///
1288 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1289   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1290     switch (I->getOpcode()) {
1291     case Instruction::Add:
1292       return SCEVAddExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1293                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1294     case Instruction::Mul:
1295       return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1296                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1297     case Instruction::Div:
1298       if (V->getType()->isInteger() && V->getType()->isUnsigned())
1299         return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1300                                  getSCEV(I->getOperand(1)));
1301       break;
1302
1303     case Instruction::Sub:
1304       return getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(I->getOperand(1)));
1305
1306     case Instruction::Shl:
1307       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1308       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1309         Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1310         X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1311         return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1312       }
1313       break;
1314
1315     case Instruction::Shr:
1316       if (ConstantUInt *SA = dyn_cast<ConstantUInt>(I->getOperand(1)))
1317         if (V->getType()->isUnsigned()) {
1318           Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1319           X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1320           return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1321         }
1322       break;
1323
1324     case Instruction::Cast:
1325       return createNodeForCast(cast<CastInst>(I));
1326
1327     case Instruction::PHI:
1328       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
1329
1330     default: // We cannot analyze this expression.
1331       break;
1332     }
1333   }
1334
1335   return SCEVUnknown::get(V);
1336 }
1337
1338
1339
1340 //===----------------------------------------------------------------------===//
1341 //                   Iteration Count Computation Code
1342 //
1343
1344 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1345 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1346 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1347 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1348   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1349   if (I == IterationCounts.end()) {
1350     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1351     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1352     if (ItCount != UnknownValue) {
1353       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1354              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1355       ++NumTripCountsComputed;
1356     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1357       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1358       ++NumTripCountsNotComputed;
1359     }
1360   }
1361   return I->second;
1362 }
1363
1364 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1365 /// will iterate.
1366 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1367   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1368   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
1369   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1370   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1371
1372   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1373   // loop to be exited.
1374   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1375
1376   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1377   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1378        PI != E; ++PI)
1379     if (L->contains(*PI)) {
1380       if (ExitingBlock == 0)
1381         ExitingBlock = *PI;
1382       else
1383         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1384     }
1385   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1386
1387   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1388   // exit.
1389   //
1390   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1391   // FIXME: We should handle cast of int to bool as well
1392   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1393   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1394   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1395   SetCondInst *ExitCond = dyn_cast<SetCondInst>(ExitBr->getCondition());
1396   if (ExitCond == 0)  // Not a setcc
1397     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1398                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1399
1400   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false.
1401   Instruction::BinaryOps Cond;
1402   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1403     Cond = ExitCond->getOpcode();
1404   else
1405     Cond = ExitCond->getInverseCondition();
1406
1407   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1408   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1409     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1410       SCEVHandle ItCnt =
1411         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1412       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1413     }
1414
1415   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1416   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1417
1418   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1419   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1420   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1421   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1422   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1423
1424   // At this point, we would like to compute how many iterations of the loop the
1425   // predicate will return true for these inputs.
1426   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1427     // If there is a constant, force it into the RHS.
1428     std::swap(LHS, RHS);
1429     Cond = SetCondInst::getSwappedCondition(Cond);
1430   }
1431
1432   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1433   // while (P != P+100) ++P;
1434
1435   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1436   // ranges to answer this query.
1437   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1438     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1439       if (AddRec->getLoop() == L) {
1440         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1441         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1442         // comparison.
1443         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1444         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1445         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getCast(CompVal, RealTy));
1446         if (CompVal) {
1447           // Form the constant range.
1448           ConstantRange CompRange(Cond, CompVal);
1449           
1450           // Now that we have it, if it's signed, convert it to an unsigned
1451           // range.
1452           if (CompRange.getLower()->getType()->isSigned()) {
1453             const Type *NewTy = RHSC->getValue()->getType();
1454             Constant *NewL = ConstantExpr::getCast(CompRange.getLower(), NewTy);
1455             Constant *NewU = ConstantExpr::getCast(CompRange.getUpper(), NewTy);
1456             CompRange = ConstantRange(NewL, NewU);
1457           }
1458           
1459           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange);
1460           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1461         }
1462       }
1463   
1464   switch (Cond) {
1465   case Instruction::SetNE:                     // while (X != Y)
1466     // Convert to: while (X-Y != 0)
1467     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1468       SCEVHandle TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1469       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1470     }
1471     break;
1472   case Instruction::SetEQ:
1473     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1474     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1475       SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1476       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1477     }
1478     break;
1479   default:
1480 #if 0
1481     std::cerr << "ComputeIterationCount ";
1482     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1483       std::cerr << "[unsigned] ";
1484     std::cerr << *LHS << "   "
1485               << Instruction::getOpcodeName(Cond) << "   " << *RHS << "\n";
1486 #endif
1487     break;
1488   }
1489
1490   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
1491                                          ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1492 }
1493
1494 static ConstantInt *
1495 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, Constant *C) {
1496   SCEVHandle InVal = SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(C));
1497   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal);
1498   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
1499          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
1500   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
1501 }
1502
1503 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
1504 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
1505 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
1506 /// invalid.
1507 static Constant *
1508 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV, 
1509                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
1510   Constant *Init = GV->getInitializer();
1511   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
1512     uint64_t Idx = Indices[i]->getRawValue();
1513     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
1514       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
1515       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
1516     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
1517       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
1518       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
1519     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
1520       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
1521         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
1522         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
1523       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
1524         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
1525         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
1526       } else {
1527         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
1528       }
1529       return 0;
1530     } else {
1531       return 0; // Unknown initializer type
1532     }
1533   }
1534   return Init;
1535 }
1536
1537 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1538 /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1539 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1540 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS, 
1541                                          const Loop *L, unsigned SetCCOpcode) {
1542   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
1543
1544   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
1545   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
1546   if (!GEP) return UnknownValue;
1547
1548   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
1549   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
1550   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
1551   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
1552       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
1553       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
1554     return UnknownValue;
1555
1556   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
1557   Value *VarIdx = 0;
1558   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
1559   unsigned VarIdxNum = 0;
1560   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
1561     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1562       Indexes.push_back(CI);
1563     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1564       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
1565       VarIdx = GEP->getOperand(i);
1566       VarIdxNum = i-2;
1567       Indexes.push_back(0);
1568     }
1569
1570   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
1571   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
1572   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
1573   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
1574   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
1575
1576   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
1577   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
1578   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
1579   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
1580       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
1581       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
1582     return UnknownValue;
1583
1584   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
1585   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
1586     ConstantUInt *ItCst =
1587       ConstantUInt::get(IdxExpr->getType()->getUnsignedVersion(), IterationNum);
1588     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst);
1589
1590     // Form the GEP offset.
1591     Indexes[VarIdxNum] = Val;
1592
1593     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
1594     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
1595
1596     // Evaluate the condition for this iteration.
1597     Result = ConstantExpr::get(SetCCOpcode, Result, RHS);
1598     if (!isa<ConstantBool>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
1599     if (Result == ConstantBool::False) {
1600 #if 0
1601       std::cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
1602                 << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
1603                 << "***\n";
1604 #endif
1605       ++NumArrayLenItCounts;
1606       return SCEVConstant::get(ItCst);   // Found terminating iteration!
1607     }
1608   }
1609   return UnknownValue;
1610 }
1611
1612
1613 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
1614 /// specified type, assuming that all operands were constants.
1615 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
1616   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I) ||
1617       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
1618     return true;
1619   
1620   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
1621     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
1622       return canConstantFoldCallTo((Function*)F);  // FIXME: elim cast
1623   return false;
1624 }
1625
1626 /// ConstantFold - Constant fold an instruction of the specified type with the
1627 /// specified constant operands.  This function may modify the operands vector.
1628 static Constant *ConstantFold(const Instruction *I,
1629                               std::vector<Constant*> &Operands) {
1630   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I))
1631     return ConstantExpr::get(I->getOpcode(), Operands[0], Operands[1]);
1632
1633   switch (I->getOpcode()) {
1634   case Instruction::Cast:
1635     return ConstantExpr::getCast(Operands[0], I->getType());
1636   case Instruction::Select:
1637     return ConstantExpr::getSelect(Operands[0], Operands[1], Operands[2]);
1638   case Instruction::Call:
1639     if (Function *GV = dyn_cast<Function>(Operands[0])) {
1640       Operands.erase(Operands.begin());
1641       return ConstantFoldCall(cast<Function>(GV), Operands);
1642     }
1643
1644     return 0;
1645   case Instruction::GetElementPtr:
1646     Constant *Base = Operands[0];
1647     Operands.erase(Operands.begin());
1648     return ConstantExpr::getGetElementPtr(Base, Operands);
1649   }
1650   return 0;
1651 }
1652
1653
1654 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
1655 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
1656 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
1657 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
1658 /// constraints, return null.
1659 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
1660   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
1661   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
1662   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1663   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
1664
1665   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1666     if (L->getHeader() == I->getParent())
1667       return PN;
1668     else
1669       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
1670       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
1671       return 0;
1672
1673   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
1674   // are constants, return early.
1675   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
1676   
1677   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
1678   // constant or derived from a PHI node themselves.
1679   PHINode *PHI = 0;
1680   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
1681     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
1682           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
1683       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
1684       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
1685       if (PHI == 0)
1686         PHI = P;
1687       else if (PHI != P)
1688         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
1689     }
1690
1691   // This is a expression evolving from a constant PHI!
1692   return PHI;
1693 }
1694
1695 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
1696 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
1697 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
1698 /// reason, return null.
1699 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
1700   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
1701   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V))
1702     return GV;
1703   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
1704   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1705
1706   std::vector<Constant*> Operands;
1707   Operands.resize(I->getNumOperands());
1708
1709   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1710     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
1711     if (Operands[i] == 0) return 0;
1712   }
1713
1714   return ConstantFold(I, Operands);
1715 }
1716
1717 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1718 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1719 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1720 /// involving constants, fold it.
1721 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
1722 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its, const Loop *L) {
1723   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
1724     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
1725   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
1726     return I->second;
1727
1728   if (Its > MaxBruteForceIterations) 
1729     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
1730
1731   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
1732
1733   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1734   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1735   // second must be derived from the same PHI.
1736   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1737   Constant *StartCST =
1738     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1739   if (StartCST == 0)
1740     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
1741
1742   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1743   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1744   if (PN2 != PN)
1745     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
1746
1747   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
1748   unsigned IterationNum = 0;
1749   unsigned NumIterations = Its;
1750   if (NumIterations != Its)
1751     return RetVal = 0;  // More than 2^32 iterations??
1752
1753   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
1754     if (IterationNum == NumIterations)
1755       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
1756
1757     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1758     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1759     if (NextPHI == PHIVal)
1760       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
1761     if (NextPHI == 0)
1762       return 0;        // Couldn't evaluate!
1763     PHIVal = NextPHI;
1764   }
1765 }
1766
1767 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1768 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1769 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1770 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1771 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1772 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1773 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
1774   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
1775   if (PN == 0) return UnknownValue;
1776
1777   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1778   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1779   // second must be derived from the same PHI.
1780   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1781   Constant *StartCST =
1782     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1783   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
1784
1785   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1786   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1787   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
1788
1789   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
1790   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
1791   // "ExitWhen".
1792   unsigned IterationNum = 0;
1793   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
1794   for (Constant *PHIVal = StartCST;
1795        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
1796     ConstantBool *CondVal =
1797       dyn_cast_or_null<ConstantBool>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
1798     if (!CondVal) return UnknownValue;     // Couldn't symbolically evaluate.
1799
1800     if (CondVal->getValue() == ExitWhen) {
1801       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
1802       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
1803       return SCEVConstant::get(ConstantUInt::get(Type::UIntTy, IterationNum));
1804     }
1805     
1806     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1807     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1808     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
1809       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
1810     PHIVal = NextPHI;
1811   }
1812
1813   // Too many iterations were needed to evaluate.
1814   return UnknownValue;
1815 }
1816
1817 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
1818 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1819 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
1820 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
1821   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
1822
1823   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
1824   
1825   // If this instruction is evolves from a constant-evolving PHI, compute the
1826   // exit value from the loop without using SCEVs.
1827   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
1828     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
1829       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
1830       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
1831         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1832           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
1833             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
1834             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
1835             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
1836             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
1837             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
1838               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
1839               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
1840               // the specified iteration number.
1841               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
1842                                                ICC->getValue()->getRawValue(),
1843                                                                LI);
1844               if (RV) return SCEVUnknown::get(RV);
1845             }
1846           }
1847
1848       // Okay, this is a some expression that we cannot symbolically evaluate
1849       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
1850       // the arguments into constants, and if see, try to constant propagate the
1851       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
1852       if (CanConstantFold(I)) {
1853         std::vector<Constant*> Operands;
1854         Operands.reserve(I->getNumOperands());
1855         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1856           Value *Op = I->getOperand(i);
1857           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
1858             Operands.push_back(C);
1859           } else {
1860             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
1861             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
1862               Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(),
1863                                                        Op->getType()));
1864             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
1865               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
1866                 Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(C, Op->getType()));
1867               else
1868                 return V;
1869             } else {
1870               return V;
1871             }
1872           }
1873         }
1874         return SCEVUnknown::get(ConstantFold(I, Operands));
1875       }
1876     }
1877
1878     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
1879     return V;
1880   }
1881
1882   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
1883     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
1884     // expression has no loop-variant portions.
1885     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1886       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1887       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
1888         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1889         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
1890         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
1891         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
1892         NewOps.push_back(OpAtScope);
1893
1894         for (++i; i != e; ++i) {
1895           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1896           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1897           NewOps.push_back(OpAtScope);
1898         }
1899         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
1900           return SCEVAddExpr::get(NewOps);
1901         assert(isa<SCEVMulExpr>(Comm) && "Only know about add and mul!");
1902         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
1903       }
1904     }
1905     // If we got here, all operands are loop invariant.
1906     return Comm;
1907   }
1908
1909   if (SCEVUDivExpr *UDiv = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
1910     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(UDiv->getLHS(), L);
1911     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
1912     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(UDiv->getRHS(), L);
1913     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
1914     if (LHS == UDiv->getLHS() && RHS == UDiv->getRHS())
1915       return UDiv;   // must be loop invariant
1916     return SCEVUDivExpr::get(LHS, RHS);
1917   }
1918
1919   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
1920   // are dealing with the final value computed by the loop.
1921   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
1922     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
1923       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
1924       // loop iterates.  Compute this now.
1925       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
1926       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
1927       IterationCount = getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
1928                                                AddRec->getType());
1929       
1930       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
1931       // Start + Step*IterationCount.
1932       if (AddRec->isAffine())
1933         return SCEVAddExpr::get(AddRec->getStart(),
1934                                 SCEVMulExpr::get(IterationCount,
1935                                                  AddRec->getOperand(1)));
1936
1937       // Otherwise, evaluate it the hard way.
1938       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount);
1939     }
1940     return UnknownValue;
1941   }
1942
1943   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
1944   return UnknownValue;
1945 }
1946
1947
1948 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
1949 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
1950 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
1951 ///
1952 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
1953 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec) {
1954   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
1955   SCEVConstant *L = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
1956   SCEVConstant *M = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
1957   SCEVConstant *N = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
1958   
1959   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
1960   if (!L || !M || !N) {
1961     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
1962     return std::make_pair(CNC, CNC);
1963   }
1964
1965   Constant *Two = ConstantInt::get(L->getValue()->getType(), 2);
1966   
1967   // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
1968   Constant *C = L->getValue();
1969   // The B coefficient is M-N/2
1970   Constant *B = ConstantExpr::getSub(M->getValue(),
1971                                      ConstantExpr::getDiv(N->getValue(),
1972                                                           Two));
1973   // The A coefficient is N/2
1974   Constant *A = ConstantExpr::getDiv(N->getValue(), Two);
1975         
1976   // Compute the B^2-4ac term.
1977   Constant *SqrtTerm =
1978     ConstantExpr::getMul(ConstantInt::get(C->getType(), 4),
1979                          ConstantExpr::getMul(A, C));
1980   SqrtTerm = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getMul(B, B), SqrtTerm);
1981
1982   // Compute floor(sqrt(B^2-4ac))
1983   ConstantUInt *SqrtVal =
1984     cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(SqrtTerm,
1985                                    SqrtTerm->getType()->getUnsignedVersion()));
1986   uint64_t SqrtValV = SqrtVal->getValue();
1987   uint64_t SqrtValV2 = (uint64_t)sqrt(SqrtValV);
1988   // The square root might not be precise for arbitrary 64-bit integer
1989   // values.  Do some sanity checks to ensure it's correct.
1990   if (SqrtValV2*SqrtValV2 > SqrtValV ||
1991       (SqrtValV2+1)*(SqrtValV2+1) <= SqrtValV) {
1992     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
1993     return std::make_pair(CNC, CNC);
1994   }
1995
1996   SqrtVal = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, SqrtValV2);
1997   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtVal, SqrtTerm->getType());
1998   
1999   Constant *NegB = ConstantExpr::getNeg(B);
2000   Constant *TwoA = ConstantExpr::getMul(A, Two);
2001   
2002   // The divisions must be performed as signed divisions.
2003   const Type *SignedTy = NegB->getType()->getSignedVersion();
2004   NegB = ConstantExpr::getCast(NegB, SignedTy);
2005   TwoA = ConstantExpr::getCast(TwoA, SignedTy);
2006   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtTerm, SignedTy);
2007   
2008   Constant *Solution1 =
2009     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getAdd(NegB, SqrtTerm), TwoA);
2010   Constant *Solution2 =
2011     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getSub(NegB, SqrtTerm), TwoA);
2012   return std::make_pair(SCEVUnknown::get(Solution1),
2013                         SCEVUnknown::get(Solution2));
2014 }
2015
2016 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2017 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2018 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2019   // If the value is a constant
2020   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2021     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2022     if (C->getValue()->isNullValue()) return C;
2023     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2024   }
2025
2026   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2027   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2028     return UnknownValue;
2029
2030   if (AddRec->isAffine()) {
2031     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
2032     // equal to:
2033     //
2034     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
2035     //
2036     // Get the initial value for the loop.
2037     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2038     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2039     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
2040
2041     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
2042
2043     // Figure out if Start % Step == 0.
2044     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
2045     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2046       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
2047         return getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
2048       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
2049         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
2050
2051       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
2052       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
2053         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
2054         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
2055         Constant *Rem = ConstantExpr::getRem(StartNegC, StepC->getValue());
2056         if (Rem->isNullValue()) {
2057           Constant *Result =ConstantExpr::getDiv(StartNegC,StepC->getValue());
2058           return SCEVUnknown::get(Result);
2059         }
2060       }
2061     }
2062   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2063     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2064     // the quadratic equation to solve it.
2065     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec);
2066     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2067     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2068     if (R1) {
2069 #if 0
2070       std::cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2071                 << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2072 #endif
2073       // Pick the smallest positive root value.
2074       assert(R1->getType()->isUnsigned()&&"Didn't canonicalize to unsigned?");
2075       if (ConstantBool *CB =
2076           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
2077                                                         R2->getValue()))) {
2078         if (CB != ConstantBool::True)
2079           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2080           
2081         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2082         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2083         // should not accept a root of 2.
2084         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1);
2085         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
2086           if (EvalVal->getValue()->isNullValue())
2087             return R1;  // We found a quadratic root!
2088       }
2089     }
2090   }
2091   
2092   return UnknownValue;
2093 }
2094
2095 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2096 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2097 /// UnknownValue
2098 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2099   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2100   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2101   // future as needed.
2102  
2103   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2104   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2105   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2106     Constant *Zero = Constant::getNullValue(C->getValue()->getType());
2107     Constant *NonZero = ConstantExpr::getSetNE(C->getValue(), Zero);
2108     if (NonZero == ConstantBool::True)
2109       return getSCEV(Zero);
2110     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2111   }
2112   
2113   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2114   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2115   return UnknownValue;
2116 }
2117
2118 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2119 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2120 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2121 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2122 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2123 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range) const {
2124   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2125     return new SCEVCouldNotCompute();
2126
2127   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2128   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2129     if (!SC->getValue()->isNullValue()) {
2130       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2131       Operands[0] = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2132       SCEVHandle Shifted = SCEVAddRecExpr::get(Operands, getLoop());
2133       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2134         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2135                                               Range.subtract(SC->getValue()));
2136       // This is strange and shouldn't happen.
2137       return new SCEVCouldNotCompute();
2138     }
2139
2140   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2141   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2142   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2143     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2144       return new SCEVCouldNotCompute();
2145
2146
2147   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2148   // that the start element is zero.
2149
2150   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2151   // iteration exits.
2152   ConstantInt *Zero = ConstantInt::get(getType(), 0);
2153   if (!Range.contains(Zero)) return SCEVConstant::get(Zero);
2154   
2155   if (isAffine()) {
2156     // If this is an affine expression then we have this situation:
2157     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2158
2159     // Since we know that zero is in the range, we know that the upper value of
2160     // the range must be the first possible exit value.  Also note that we
2161     // already checked for a full range.
2162     ConstantInt *Upper = cast<ConstantInt>(Range.getUpper());
2163     ConstantInt *A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue();
2164     ConstantInt *One   = ConstantInt::get(getType(), 1);
2165
2166     // The exit value should be (Upper+A-1)/A.
2167     Constant *ExitValue = Upper;
2168     if (A != One) {
2169       ExitValue = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getAdd(Upper, A), One);
2170       ExitValue = ConstantExpr::getDiv(ExitValue, A);
2171     }
2172     assert(isa<ConstantInt>(ExitValue) &&
2173            "Constant folding of integers not implemented?");
2174
2175     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2176     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2177     // things must have happened.
2178     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue);
2179     if (Range.contains(Val))
2180       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2181
2182     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2183     assert(Range.contains(EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2184                               ConstantExpr::getSub(ExitValue, One))) &&
2185            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2186     return SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(ExitValue));
2187   } else if (isQuadratic()) {
2188     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2189     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2190     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2191     // Range.getUpper() is crossed.
2192     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2193     NewOps[0] = getNegativeSCEV(SCEVUnknown::get(Range.getUpper()));
2194     SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, getLoop());
2195
2196     // Next, solve the constructed addrec
2197     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2198       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec));
2199     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2200     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2201     if (R1) {
2202       // Pick the smallest positive root value.
2203       assert(R1->getType()->isUnsigned() && "Didn't canonicalize to unsigned?");
2204       if (ConstantBool *CB =
2205           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
2206                                                         R2->getValue()))) {
2207         if (CB != ConstantBool::True)
2208           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2209           
2210         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2211         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2212         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2213         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2214                                                              R1->getValue());
2215         if (Range.contains(R1Val)) {
2216           // The next iteration must be out of the range...
2217           Constant *NextVal =
2218             ConstantExpr::getAdd(R1->getValue(),
2219                                  ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2220           
2221           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2222           if (!Range.contains(R1Val))
2223             return SCEVUnknown::get(NextVal);
2224           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2225         }
2226    
2227         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2228         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2229         Constant *NextVal =
2230           ConstantExpr::getSub(R1->getValue(),
2231                                ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2232         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2233         if (Range.contains(R1Val))
2234           return R1;
2235         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2236       }
2237     }
2238   }
2239
2240   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2241   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2242   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2243   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2244   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2245   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2246   ConstantInt *One     = ConstantInt::get(getType(), 1);
2247   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2248   do {
2249     ++NumBruteForceEvaluations;
2250     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SCEVConstant::get(TestVal));
2251     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2252       return new SCEVCouldNotCompute();
2253
2254     // Check to see if we found the value!
2255     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()))
2256       return SCEVConstant::get(TestVal);
2257
2258     // Increment to test the next index.
2259     TestVal = cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getAdd(TestVal, One));
2260   } while (TestVal != EndVal);
2261   
2262   return new SCEVCouldNotCompute();
2263 }
2264
2265
2266
2267 //===----------------------------------------------------------------------===//
2268 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2269 //===----------------------------------------------------------------------===//
2270
2271 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2272   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(F, getAnalysis<LoopInfo>());
2273   return false;
2274 }
2275
2276 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2277   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2278   Impl = 0;
2279 }
2280
2281 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2282   AU.setPreservesAll();
2283   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
2284   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2285 }
2286
2287 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2288   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2289 }
2290
2291 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2292   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2293 }
2294
2295 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2296   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2297 }
2298
2299 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2300   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2301 }
2302
2303 void ScalarEvolution::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) const {
2304   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteInstructionFromRecords(I);
2305 }
2306
2307 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE, 
2308                           const Loop *L) {
2309   // Print all inner loops first
2310   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2311     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2312   
2313   std::cerr << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2314
2315   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
2316   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2317   if (ExitBlocks.size() != 1)
2318     std::cerr << "<multiple exits> ";
2319
2320   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2321     std::cerr << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2322   } else {
2323     std::cerr << "Unpredictable iteration count. ";
2324   }
2325
2326   std::cerr << "\n";
2327 }
2328
2329 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS) const {
2330   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2331   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2332
2333   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2334   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2335     if (I->getType()->isInteger()) {
2336       OS << *I;
2337       OS << "  --> ";
2338       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2339       SV->print(OS);
2340       OS << "\t\t";
2341       
2342       if ((*I).getType()->isIntegral()) {
2343         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2344         if (!Bounds.isFullSet())
2345           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2346       }
2347
2348       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2349         OS << "Exits: ";
2350         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2351         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2352           OS << "<<Unknown>>";
2353         } else {
2354           OS << *ExitValue;
2355         }
2356       }
2357
2358
2359       OS << "\n";
2360     }
2361
2362   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2363   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2364     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2365 }
2366