1 + 100 + 51 == 152, not 52.
[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 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
148 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
149                                   const SCEVHandle &Conc) const {
150   return this;
151 }
152
153 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
154   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
155 }
156
157 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
158   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
159 }
160
161
162 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
163 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
164 // never be deleted!
165 static std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> SCEVConstants;
166   
167
168 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
169   SCEVConstants.erase(V);
170 }
171
172 SCEVHandle SCEVConstant::get(ConstantInt *V) {
173   // Make sure that SCEVConstant instances are all unsigned.
174   if (V->getType()->isSigned()) {
175     const Type *NewTy = V->getType()->getUnsignedVersion();
176     V = cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(V, NewTy));
177   }
178   
179   SCEVConstant *&R = SCEVConstants[V];
180   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
181   return R;
182 }
183
184 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
185   return ConstantRange(V);
186 }
187
188 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
189
190 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
191   WriteAsOperand(OS, V, false);
192 }
193
194 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
195 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
196 // never be deleted!
197 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, SCEVTruncateExpr*> SCEVTruncates;
198
199 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
200   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
201   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
202          Ty->isUnsigned() &&
203          "Cannot truncate non-integer value!");
204   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize() &&
205          "This is not a truncating conversion!");
206 }
207
208 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
209   SCEVTruncates.erase(std::make_pair(Op, Ty));
210 }
211
212 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
213   return getOperand()->getValueRange().truncate(getType());
214 }
215
216 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
217   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
218 }
219
220 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
221 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
222 // be deleted!
223 static std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
224                 SCEVZeroExtendExpr*> SCEVZeroExtends;
225
226 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
227   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
228   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
229          Ty->isUnsigned() &&
230          "Cannot zero extend non-integer value!");
231   assert(Op->getType()->getPrimitiveSize() < Ty->getPrimitiveSize() &&
232          "This is not an extending conversion!");
233 }
234
235 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
236   SCEVZeroExtends.erase(std::make_pair(Op, Ty));
237 }
238
239 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
240   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getType());
241 }
242
243 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
244   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
245 }
246
247 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
248 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
249 // be deleted!
250 static std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
251                 SCEVCommutativeExpr*> SCEVCommExprs;
252
253 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
254   SCEVCommExprs.erase(std::make_pair(getSCEVType(),
255                                      std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
256                                                         Operands.end())));
257 }
258
259 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
260   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
261   const char *OpStr = getOperationStr();
262   OS << "(" << *Operands[0];
263   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
264     OS << OpStr << *Operands[i];
265   OS << ")";
266 }
267
268 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
269 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
270                                   const SCEVHandle &Conc) const {
271   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
272     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
273     if (H != getOperand(i)) {
274       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
275       NewOps.reserve(getNumOperands());
276       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
277         NewOps.push_back(getOperand(j));
278       NewOps.push_back(H);
279       for (++i; i != e; ++i)
280         NewOps.push_back(getOperand(i)->
281                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
282
283       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
284         return SCEVAddExpr::get(NewOps);
285       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
286         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
287       else
288         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
289     }
290   }
291   return this;
292 }
293
294
295 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
296 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
297 // deleted!
298 static std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, SCEVUDivExpr*> SCEVUDivs;
299
300 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
301   SCEVUDivs.erase(std::make_pair(LHS, RHS));
302 }
303
304 void SCEVUDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
305   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
306 }
307
308 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
309   const Type *Ty = LHS->getType();
310   if (Ty->isSigned()) Ty = Ty->getUnsignedVersion();
311   return Ty;
312 }
313
314 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
315 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
316 // be deleted!
317 static std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
318                 SCEVAddRecExpr*> SCEVAddRecExprs;
319
320 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
321   SCEVAddRecExprs.erase(std::make_pair(L,
322                                        std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
323                                                           Operands.end())));
324 }
325
326 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
327 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
328                                   const SCEVHandle &Conc) const {
329   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
330     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
331     if (H != getOperand(i)) {
332       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
333       NewOps.reserve(getNumOperands());
334       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
335         NewOps.push_back(getOperand(j));
336       NewOps.push_back(H);
337       for (++i; i != e; ++i)
338         NewOps.push_back(getOperand(i)->
339                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
340       
341       return get(NewOps, L);
342     }
343   }
344   return this;
345 }
346
347
348 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
349   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
350   // contain L.
351   return !QueryLoop->contains(L->getHeader());
352 }
353
354
355 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
356   OS << "{" << *Operands[0];
357   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
358     OS << ",+," << *Operands[i];
359   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
360 }
361
362 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
363 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
364 // deleted!
365 static std::map<Value*, SCEVUnknown*> SCEVUnknowns;
366
367 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns.erase(V); }
368
369 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
370   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
371   // invariant if they are not contained in the specified loop.
372   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
373     return !L->contains(I->getParent());
374   return true;
375 }
376
377 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
378   return V->getType();
379 }
380
381 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
382   WriteAsOperand(OS, V, false);
383 }
384
385 //===----------------------------------------------------------------------===//
386 //                               SCEV Utilities
387 //===----------------------------------------------------------------------===//
388
389 namespace {
390   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
391   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
392   /// expressions.
393   struct SCEVComplexityCompare {
394     bool operator()(SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
395       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
396     }
397   };
398 }
399
400 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
401 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
402 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
403 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
404 ///
405 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
406 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
407 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
408 /// land in memory.
409 ///
410 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
411   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
412   if (Ops.size() == 2) {
413     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
414     // Special case it.
415     if (Ops[0]->getSCEVType() > Ops[1]->getSCEVType())
416       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
417     return;
418   }
419
420   // Do the rough sort by complexity.
421   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
422
423   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
424   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
425   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
426   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
427   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
428     SCEV *S = Ops[i];
429     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
430
431     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
432     // one, group them.
433     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
434       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
435         // Move it to immediately after i'th element.
436         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
437         ++i;   // no need to rescan it.
438         if (i == e-2) return;  // Done!
439       }
440     }
441   }
442 }
443
444
445
446 //===----------------------------------------------------------------------===//
447 //                      Simple SCEV method implementations
448 //===----------------------------------------------------------------------===//
449
450 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
451 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
452 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
453   Constant *C;
454   if (Val == 0) 
455     C = Constant::getNullValue(Ty);
456   else if (Ty->isFloatingPoint())
457     C = ConstantFP::get(Ty, Val);
458   else if (Ty->isSigned())
459     C = ConstantSInt::get(Ty, Val);
460   else {
461     C = ConstantSInt::get(Ty->getSignedVersion(), Val);
462     C = ConstantExpr::getCast(C, Ty);
463   }
464   return SCEVUnknown::get(C);
465 }
466
467 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
468 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
469 /// extended.
470 static SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty) {
471   const Type *SrcTy = V->getType();
472   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
473          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
474   if (SrcTy->getPrimitiveSize() == Ty->getPrimitiveSize())
475     return V;  // No conversion
476   if (SrcTy->getPrimitiveSize() > Ty->getPrimitiveSize())
477     return SCEVTruncateExpr::get(V, Ty);
478   return SCEVZeroExtendExpr::get(V, Ty);
479 }
480
481 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
482 ///
483 static SCEVHandle getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
484   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
485     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
486   
487   return SCEVMulExpr::get(V, SCEVUnknown::getIntegerSCEV(-1, V->getType()));
488 }
489
490 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
491 ///
492 static SCEVHandle getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
493   // X - Y --> X + -Y
494   return SCEVAddExpr::get(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
495 }
496
497
498 /// Binomial - Evaluate N!/((N-M)!*M!)  .  Note that N is often large and M is
499 /// often very small, so we try to reduce the number of N! terms we need to
500 /// evaluate by evaluating this as  (N!/(N-M)!)/M!
501 static ConstantInt *Binomial(ConstantInt *N, unsigned M) {
502   uint64_t NVal = N->getRawValue();
503   uint64_t FirstTerm = 1;
504   for (unsigned i = 0; i != M; ++i)
505     FirstTerm *= NVal-i;
506
507   unsigned MFactorial = 1;
508   for (; M; --M)
509     MFactorial *= M;
510
511   Constant *Result = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, FirstTerm/MFactorial);
512   Result = ConstantExpr::getCast(Result, N->getType());
513   assert(isa<ConstantInt>(Result) && "Cast of integer not folded??");
514   return cast<ConstantInt>(Result);
515 }
516
517 /// PartialFact - Compute V!/(V-NumSteps)!
518 static SCEVHandle PartialFact(SCEVHandle V, unsigned NumSteps) {
519   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
520   // counts while computing loop exit values.
521   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
522     uint64_t Val = SC->getValue()->getRawValue();
523     uint64_t Result = 1;
524     for (; NumSteps; --NumSteps)
525       Result *= Val-(NumSteps-1);
526     Constant *Res = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, Result);
527     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(Res, V->getType()));
528   }
529
530   const Type *Ty = V->getType();
531   if (NumSteps == 0)
532     return SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
533   
534   SCEVHandle Result = V;
535   for (unsigned i = 1; i != NumSteps; ++i)
536     Result = SCEVMulExpr::get(Result, getMinusSCEV(V,
537                                           SCEVUnknown::getIntegerSCEV(i, Ty)));
538   return Result;
539 }
540
541
542 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
543 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
544 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
545 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
546 ///
547 ///   A*choose(It, 0) + B*choose(It, 1) + C*choose(It, 2) + D*choose(It, 3)
548 ///
549 /// FIXME/VERIFY: I don't trust that this is correct in the face of overflow.
550 /// Is the binomial equation safe using modular arithmetic??
551 ///
552 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It) const {
553   SCEVHandle Result = getStart();
554   int Divisor = 1;
555   const Type *Ty = It->getType();
556   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
557     SCEVHandle BC = PartialFact(It, i);
558     Divisor *= i;
559     SCEVHandle Val = SCEVUDivExpr::get(SCEVMulExpr::get(BC, getOperand(i)),
560                                        SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Divisor,Ty));
561     Result = SCEVAddExpr::get(Result, Val);
562   }
563   return Result;
564 }
565
566
567 //===----------------------------------------------------------------------===//
568 //                    SCEV Expression folder implementations
569 //===----------------------------------------------------------------------===//
570
571 SCEVHandle SCEVTruncateExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
572   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
573     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
574
575   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
576   // all of the constants.
577   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
578     std::vector<SCEVHandle> Operands;
579     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
580       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
581       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
582         Operands.push_back(get(AddRec->getOperand(i), Ty));
583       else
584         break;
585     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
586       return SCEVAddRecExpr::get(Operands, AddRec->getLoop());
587   }
588
589   SCEVTruncateExpr *&Result = SCEVTruncates[std::make_pair(Op, Ty)];
590   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
591   return Result;
592 }
593
594 SCEVHandle SCEVZeroExtendExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
595   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
596     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(), Ty));
597
598   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
599   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
600   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
601   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
602
603   SCEVZeroExtendExpr *&Result = SCEVZeroExtends[std::make_pair(Op, Ty)];
604   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
605   return Result;
606 }
607
608 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
609 SCEVHandle SCEVAddExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
610   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
611   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
612
613   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
614   GroupByComplexity(Ops);
615
616   // If there are any constants, fold them together.
617   unsigned Idx = 0;
618   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
619     ++Idx;
620     assert(Idx < Ops.size());
621     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
622       // We found two constants, fold them together!
623       Constant *Fold = ConstantExpr::getAdd(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
624       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
625         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
626         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
627         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
628         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
629       } else {
630         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
631         // that this is impossible to happen in practice because we always
632         // constant fold constant ints to constant ints.
633         ++Idx;
634       }
635     }
636
637     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
638     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
639       Ops.erase(Ops.begin());
640       --Idx;
641     }
642   }
643
644   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
645   
646   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
647   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
648   // list, these values are required to be adjacent.
649   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
650   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
651     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
652       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
653       // remaining values to the result.
654       SCEVHandle Two = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(2, Ty);
655       SCEVHandle Mul = SCEVMulExpr::get(Ops[i], Two);
656       if (Ops.size() == 2)
657         return Mul;
658       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
659       Ops.push_back(Mul);
660       return SCEVAddExpr::get(Ops);
661     }
662
663   // Okay, now we know the first non-constant operand.  If there are add
664   // operands they would be next.
665   if (Idx < Ops.size()) {
666     bool DeletedAdd = false;
667     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
668       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
669       // list.
670       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
671       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
672       DeletedAdd = true;
673     }
674
675     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
676     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
677     // any operands we just aquired.
678     if (DeletedAdd)
679       return get(Ops);
680   }
681
682   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
683   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
684     ++Idx;
685
686   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
687   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
688   // the multiply.
689   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
690     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
691     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
692       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
693       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
694         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
695           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
696           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
697           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
698             // If the multiply has more than two operands, we must get the
699             // Y*Z term.
700             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
701             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
702             InnerMul = SCEVMulExpr::get(MulOps);
703           }
704           SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
705           SCEVHandle AddOne = SCEVAddExpr::get(InnerMul, One);
706           SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(AddOne, Ops[AddOp]);
707           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
708           if (AddOp < Idx) {
709             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
710             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
711           } else {
712             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
713             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
714           }
715           Ops.push_back(OuterMul);
716           return SCEVAddExpr::get(Ops);
717         }
718       
719       // Check this multiply against other multiplies being added together.
720       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
721            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
722            ++OtherMulIdx) {
723         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
724         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
725         // together.
726         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
727              OMulOp != e; ++OMulOp)
728           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
729             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
730             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
731             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
732               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
733               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
734               InnerMul1 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
735             }
736             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
737             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
738               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
739                                              OtherMul->op_end());
740               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
741               InnerMul2 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
742             }
743             SCEVHandle InnerMulSum = SCEVAddExpr::get(InnerMul1,InnerMul2);
744             SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(MulOpSCEV, InnerMulSum);
745             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
746             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
747             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
748             Ops.push_back(OuterMul);
749             return SCEVAddExpr::get(Ops);
750           }
751       }
752     }
753   }
754
755   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
756   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
757   // recurrence.
758   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
759     ++Idx;
760
761   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
762   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
763     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
764     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
765     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
766     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
767     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
768       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
769         LIOps.push_back(Ops[i]);
770         Ops.erase(Ops.begin()+i);
771         --i; --e;
772       }
773
774     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
775     if (!LIOps.empty()) {
776       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
777       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
778
779       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
780       AddRecOps[0] = SCEVAddExpr::get(LIOps);
781
782       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(AddRecOps, AddRec->getLoop());
783       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
784       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
785
786       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
787       for (unsigned i = 0;; ++i)
788         if (Ops[i] == AddRec) {
789           Ops[i] = NewRec;
790           break;
791         }
792       return SCEVAddExpr::get(Ops);
793     }
794
795     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
796     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
797     // added together.  If so, we can fold them.
798     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
799          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
800       if (OtherIdx != Idx) {
801         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
802         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
803           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
804           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
805           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
806             if (i >= NewOps.size()) {
807               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
808                             OtherAddRec->op_end());
809               break;
810             }
811             NewOps[i] = SCEVAddExpr::get(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
812           }
813           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
814
815           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
816
817           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
818           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
819           Ops.push_back(NewAddRec);
820           return SCEVAddExpr::get(Ops);
821         }
822       }
823
824     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
825     // next one.
826   }
827
828   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
829   // already have one, otherwise create a new one.
830   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
831   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scAddExpr,
832                                                               SCEVOps)];
833   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
834   return Result;
835 }
836
837
838 SCEVHandle SCEVMulExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
839   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
840
841   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
842   GroupByComplexity(Ops);
843
844   // If there are any constants, fold them together.
845   unsigned Idx = 0;
846   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
847
848     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
849     if (Ops.size() == 2)
850       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
851         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
852             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
853           return SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(0)),
854                                   SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(1)));
855
856
857     ++Idx;
858     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
859       // We found two constants, fold them together!
860       Constant *Fold = ConstantExpr::getMul(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
861       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
862         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
863         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
864         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
865         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
866       } else {
867         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
868         // that this is impossible to happen in practice because we always
869         // constant fold constant ints to constant ints.
870         ++Idx;
871       }
872     }
873
874     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
875     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
876       Ops.erase(Ops.begin());
877       --Idx;
878     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
879       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
880       return Ops[0];
881     }
882   }
883
884   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
885   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
886     ++Idx;
887
888   if (Ops.size() == 1)
889     return Ops[0];
890   
891   // If there are mul operands inline them all into this expression.
892   if (Idx < Ops.size()) {
893     bool DeletedMul = false;
894     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
895       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
896       // list.
897       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
898       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
899       DeletedMul = true;
900     }
901
902     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
903     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
904     // any operands we just aquired.
905     if (DeletedMul)
906       return get(Ops);
907   }
908
909   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
910   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
911   // recurrence.
912   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
913     ++Idx;
914
915   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
916   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
917     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
918     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
919     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
920     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
921     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
922       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
923         LIOps.push_back(Ops[i]);
924         Ops.erase(Ops.begin()+i);
925         --i; --e;
926       }
927
928     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
929     if (!LIOps.empty()) {
930       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
931       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
932       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
933       if (LIOps.size() == 1) {
934         SCEV *Scale = LIOps[0];
935         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
936           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(Scale, AddRec->getOperand(i)));
937       } else {
938         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
939           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
940           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
941           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(MulOps));
942         }
943       }
944
945       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
946
947       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
948       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
949
950       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
951       for (unsigned i = 0;; ++i)
952         if (Ops[i] == AddRec) {
953           Ops[i] = NewRec;
954           break;
955         }
956       return SCEVMulExpr::get(Ops);
957     }
958
959     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
960     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
961     // multiplied together.  If so, we can fold them.
962     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
963          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
964       if (OtherIdx != Idx) {
965         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
966         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
967           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
968           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
969           SCEVHandle NewStart = SCEVMulExpr::get(F->getStart(),
970                                                  G->getStart());
971           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence();
972           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence();
973           SCEVHandle NewStep = SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(F, D),
974                                                 SCEVMulExpr::get(G, B),
975                                                 SCEVMulExpr::get(B, D));
976           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewStart, NewStep,
977                                                      F->getLoop());
978           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
979
980           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
981           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
982           Ops.push_back(NewAddRec);
983           return SCEVMulExpr::get(Ops);
984         }
985       }
986
987     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
988     // next one.
989   }
990
991   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
992   // already have one, otherwise create a new one.
993   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
994   SCEVCommutativeExpr *&Result = SCEVCommExprs[std::make_pair(scMulExpr,
995                                                               SCEVOps)];
996   if (Result == 0)
997     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
998   return Result;
999 }
1000
1001 SCEVHandle SCEVUDivExpr::get(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1002   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1003     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1004       return LHS;                            // X /u 1 --> x
1005     if (RHSC->getValue()->isAllOnesValue())
1006       return getNegativeSCEV(LHS);           // X /u -1  -->  -x
1007
1008     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1009       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1010       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1011       if (LHSCV->getType()->isSigned())
1012         LHSCV = ConstantExpr::getCast(LHSCV,
1013                                       LHSCV->getType()->getUnsignedVersion());
1014       if (RHSCV->getType()->isSigned())
1015         RHSCV = ConstantExpr::getCast(RHSCV, LHSCV->getType());
1016       return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getDiv(LHSCV, RHSCV));
1017     }
1018   }
1019
1020   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
1021
1022   SCEVUDivExpr *&Result = SCEVUDivs[std::make_pair(LHS, RHS)];
1023   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1024   return Result;
1025 }
1026
1027
1028 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1029 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1030 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(const SCEVHandle &Start,
1031                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1032   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1033   Operands.push_back(Start);
1034   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1035     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1036       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1037                       StepChrec->op_end());
1038       return get(Operands, L);
1039     }
1040
1041   Operands.push_back(Step);
1042   return get(Operands, L);
1043 }
1044
1045 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1046 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1047 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1048                                const Loop *L) {
1049   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1050
1051   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
1052     if (StepC->getValue()->isNullValue()) {
1053       Operands.pop_back();
1054       return get(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
1055     }
1056
1057   SCEVAddRecExpr *&Result =
1058     SCEVAddRecExprs[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1059                                                          Operands.end()))];
1060   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1061   return Result;
1062 }
1063
1064 SCEVHandle SCEVUnknown::get(Value *V) {
1065   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1066     return SCEVConstant::get(CI);
1067   SCEVUnknown *&Result = SCEVUnknowns[V];
1068   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1069   return Result;
1070 }
1071
1072
1073 //===----------------------------------------------------------------------===//
1074 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1075 //===----------------------------------------------------------------------===//
1076 //
1077 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1078 /// evolution code.
1079 ///
1080 namespace {
1081   struct ScalarEvolutionsImpl {
1082     /// F - The function we are analyzing.
1083     ///
1084     Function &F;
1085
1086     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1087     ///
1088     LoopInfo &LI;
1089
1090     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1091     /// things.
1092     SCEVHandle UnknownValue;
1093
1094     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1095     ///
1096     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1097
1098     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1099     /// function as they are computed.
1100     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1101
1102     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1103     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1104     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1105     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1106     /// exit value.
1107     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1108     
1109   public:
1110     ScalarEvolutionsImpl(Function &f, LoopInfo &li)
1111       : F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1112
1113     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1114     /// expression and create a new one.
1115     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1116
1117     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1118     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1119     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1120     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1121
1122
1123     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1124     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1125     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1126
1127     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1128     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1129     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1130     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1131
1132     /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1133     /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1134     /// that no dangling references are left around.
1135     void deleteInstructionFromRecords(Instruction *I);
1136
1137   private:
1138     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1139     /// Analyze the expression.
1140     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1141     SCEVHandle createNodeForCast(CastInst *CI);
1142
1143     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1144     /// SCEVs.
1145     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1146
1147     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
1148     /// for the specified instruction and replaces any references to the
1149     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
1150     /// PHI resolution.
1151     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
1152                                           const SCEVHandle &SymName,
1153                                           const SCEVHandle &NewVal);
1154
1155     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1156     /// will iterate.
1157     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1158
1159     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1160     /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1161     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1162                                                         Constant *RHS,
1163                                                         const Loop *L,
1164                                                         unsigned SetCCOpcode);
1165
1166     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1167     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1168     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1169     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1170     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1171     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1172                                                  bool ExitWhen);
1173
1174     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1175     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1176     /// UnknownValue
1177     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1178
1179     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1180     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1181     /// UnknownValue
1182     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1183
1184     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1185     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1186     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1187     /// involving constants, fold it.
1188     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its,
1189                                                 const Loop *L);
1190   };
1191 }
1192
1193 //===----------------------------------------------------------------------===//
1194 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1195 //
1196
1197 /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1198 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1199 /// that no dangling references are left around.
1200 void ScalarEvolutionsImpl::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) {
1201   Scalars.erase(I);
1202   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1203     ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1204 }
1205
1206
1207 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1208 /// expression and create a new one.
1209 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1210   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1211
1212   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1213   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1214   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1215   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1216   return S;
1217 }
1218
1219 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1220 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1221 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1222 void ScalarEvolutionsImpl::
1223 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1224                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1225   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1226   if (SI == Scalars.end()) return;
1227
1228   SCEVHandle NV =
1229     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal);
1230   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1231
1232   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1233
1234   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1235   // updated!
1236   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1237        UI != E; ++UI)
1238     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1239 }
1240
1241 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1242 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1243 ///
1244 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1245   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1246     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1247       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1248         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1249         // from outside the loop, and one from inside.
1250         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1251         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1252         
1253         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1254         SCEVHandle SymbolicName = SCEVUnknown::get(PN);
1255         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1256                "PHI node already processed?");
1257         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1258
1259         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1260         // the back-edge.
1261         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1262
1263         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1264         // has a special value for the first iteration of the loop.
1265
1266         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1267         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1268         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1269           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1270           // with a recurrence.
1271           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1272           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1273             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1274               if (FoundIndex == e) {
1275                 FoundIndex = i;
1276                 break;
1277               }
1278
1279           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1280             // Create an add with everything but the specified operand.
1281             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1282             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1283               if (i != FoundIndex)
1284                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1285             SCEVHandle Accum = SCEVAddExpr::get(Ops);
1286
1287             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1288             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1289             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1290                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1291                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1292               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1293               SCEVHandle PHISCEV  = SCEVAddRecExpr::get(StartVal, Accum, L);
1294
1295               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1296               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1297               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1298               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1299               // value.
1300               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1301               return PHISCEV;
1302             }
1303           }
1304         }
1305
1306         return SymbolicName;
1307       }
1308   
1309   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1310   return SCEVUnknown::get(PN);
1311 }
1312
1313 /// createNodeForCast - Handle the various forms of casts that we support.
1314 ///
1315 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForCast(CastInst *CI) {
1316   const Type *SrcTy = CI->getOperand(0)->getType();
1317   const Type *DestTy = CI->getType();
1318   
1319   // If this is a noop cast (ie, conversion from int to uint), ignore it.
1320   if (SrcTy->isLosslesslyConvertibleTo(DestTy))
1321     return getSCEV(CI->getOperand(0));
1322   
1323   if (SrcTy->isInteger() && DestTy->isInteger()) {
1324     // Otherwise, if this is a truncating integer cast, we can represent this
1325     // cast.
1326     if (SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1327       return SCEVTruncateExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1328                                    CI->getType()->getUnsignedVersion());
1329     if (SrcTy->isUnsigned() &&
1330         SrcTy->getPrimitiveSize() > DestTy->getPrimitiveSize())
1331       return SCEVZeroExtendExpr::get(getSCEV(CI->getOperand(0)),
1332                                      CI->getType()->getUnsignedVersion());
1333   }
1334
1335   // If this is an sign or zero extending cast and we can prove that the value
1336   // will never overflow, we could do similar transformations.
1337
1338   // Otherwise, we can't handle this cast!
1339   return SCEVUnknown::get(CI);
1340 }
1341
1342
1343 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1344 /// Analyze the expression.
1345 ///
1346 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1347   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1348     switch (I->getOpcode()) {
1349     case Instruction::Add:
1350       return SCEVAddExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1351                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1352     case Instruction::Mul:
1353       return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1354                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1355     case Instruction::Div:
1356       if (V->getType()->isInteger() && V->getType()->isUnsigned())
1357         return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1358                                  getSCEV(I->getOperand(1)));
1359       break;
1360
1361     case Instruction::Sub:
1362       return getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(I->getOperand(1)));
1363
1364     case Instruction::Shl:
1365       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1366       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1367         Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1368         X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1369         return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1370       }
1371       break;
1372
1373     case Instruction::Shr:
1374       if (ConstantUInt *SA = dyn_cast<ConstantUInt>(I->getOperand(1)))
1375         if (V->getType()->isUnsigned()) {
1376           Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1377           X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1378           return SCEVUDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1379         }
1380       break;
1381
1382     case Instruction::Cast:
1383       return createNodeForCast(cast<CastInst>(I));
1384
1385     case Instruction::PHI:
1386       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
1387
1388     default: // We cannot analyze this expression.
1389       break;
1390     }
1391   }
1392
1393   return SCEVUnknown::get(V);
1394 }
1395
1396
1397
1398 //===----------------------------------------------------------------------===//
1399 //                   Iteration Count Computation Code
1400 //
1401
1402 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1403 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1404 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1405 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1406   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1407   if (I == IterationCounts.end()) {
1408     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1409     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1410     if (ItCount != UnknownValue) {
1411       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1412              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1413       ++NumTripCountsComputed;
1414     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1415       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1416       ++NumTripCountsNotComputed;
1417     }
1418   }
1419   return I->second;
1420 }
1421
1422 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1423 /// will iterate.
1424 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1425   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1426   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
1427   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1428   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1429
1430   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1431   // loop to be exited.
1432   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1433
1434   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1435   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1436        PI != E; ++PI)
1437     if (L->contains(*PI)) {
1438       if (ExitingBlock == 0)
1439         ExitingBlock = *PI;
1440       else
1441         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1442     }
1443   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1444
1445   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1446   // exit.
1447   //
1448   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1449   // FIXME: We should handle cast of int to bool as well
1450   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1451   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1452   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1453   SetCondInst *ExitCond = dyn_cast<SetCondInst>(ExitBr->getCondition());
1454   if (ExitCond == 0)  // Not a setcc
1455     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1456                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1457
1458   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false.
1459   Instruction::BinaryOps Cond;
1460   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1461     Cond = ExitCond->getOpcode();
1462   else
1463     Cond = ExitCond->getInverseCondition();
1464
1465   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1466   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1467     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1468       SCEVHandle ItCnt =
1469         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1470       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1471     }
1472
1473   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1474   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1475
1476   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1477   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1478   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1479   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1480   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1481
1482   // At this point, we would like to compute how many iterations of the loop the
1483   // predicate will return true for these inputs.
1484   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1485     // If there is a constant, force it into the RHS.
1486     std::swap(LHS, RHS);
1487     Cond = SetCondInst::getSwappedCondition(Cond);
1488   }
1489
1490   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1491   // while (P != P+100) ++P;
1492
1493   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1494   // ranges to answer this query.
1495   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1496     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1497       if (AddRec->getLoop() == L) {
1498         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1499         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1500         // comparison.
1501         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1502         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1503         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getCast(CompVal, RealTy));
1504         if (CompVal) {
1505           // Form the constant range.
1506           ConstantRange CompRange(Cond, CompVal);
1507           
1508           // Now that we have it, if it's signed, convert it to an unsigned
1509           // range.
1510           if (CompRange.getLower()->getType()->isSigned()) {
1511             const Type *NewTy = RHSC->getValue()->getType();
1512             Constant *NewL = ConstantExpr::getCast(CompRange.getLower(), NewTy);
1513             Constant *NewU = ConstantExpr::getCast(CompRange.getUpper(), NewTy);
1514             CompRange = ConstantRange(NewL, NewU);
1515           }
1516           
1517           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange);
1518           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1519         }
1520       }
1521   
1522   switch (Cond) {
1523   case Instruction::SetNE:                     // while (X != Y)
1524     // Convert to: while (X-Y != 0)
1525     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1526       SCEVHandle TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1527       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1528     }
1529     break;
1530   case Instruction::SetEQ:
1531     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1532     if (LHS->getType()->isInteger()) {
1533       SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1534       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1535     }
1536     break;
1537   default:
1538 #if 0
1539     std::cerr << "ComputeIterationCount ";
1540     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1541       std::cerr << "[unsigned] ";
1542     std::cerr << *LHS << "   "
1543               << Instruction::getOpcodeName(Cond) << "   " << *RHS << "\n";
1544 #endif
1545     break;
1546   }
1547
1548   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
1549                                          ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1550 }
1551
1552 static ConstantInt *
1553 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, Constant *C) {
1554   SCEVHandle InVal = SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(C));
1555   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal);
1556   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
1557          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
1558   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
1559 }
1560
1561 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
1562 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
1563 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
1564 /// invalid.
1565 static Constant *
1566 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV, 
1567                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
1568   Constant *Init = GV->getInitializer();
1569   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
1570     uint64_t Idx = Indices[i]->getRawValue();
1571     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
1572       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
1573       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
1574     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
1575       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
1576       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
1577     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
1578       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
1579         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
1580         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
1581       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
1582         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
1583         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
1584       } else {
1585         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
1586       }
1587       return 0;
1588     } else {
1589       return 0; // Unknown initializer type
1590     }
1591   }
1592   return Init;
1593 }
1594
1595 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1596 /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1597 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1598 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS, 
1599                                          const Loop *L, unsigned SetCCOpcode) {
1600   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
1601
1602   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
1603   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
1604   if (!GEP) return UnknownValue;
1605
1606   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
1607   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
1608   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
1609   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
1610       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
1611       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
1612     return UnknownValue;
1613
1614   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
1615   Value *VarIdx = 0;
1616   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
1617   unsigned VarIdxNum = 0;
1618   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
1619     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1620       Indexes.push_back(CI);
1621     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1622       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
1623       VarIdx = GEP->getOperand(i);
1624       VarIdxNum = i-2;
1625       Indexes.push_back(0);
1626     }
1627
1628   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
1629   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
1630   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
1631   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
1632   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
1633
1634   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
1635   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
1636   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
1637   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
1638       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
1639       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
1640     return UnknownValue;
1641
1642   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
1643   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
1644     ConstantUInt *ItCst =
1645       ConstantUInt::get(IdxExpr->getType()->getUnsignedVersion(), IterationNum);
1646     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst);
1647
1648     // Form the GEP offset.
1649     Indexes[VarIdxNum] = Val;
1650
1651     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
1652     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
1653
1654     // Evaluate the condition for this iteration.
1655     Result = ConstantExpr::get(SetCCOpcode, Result, RHS);
1656     if (!isa<ConstantBool>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
1657     if (Result == ConstantBool::False) {
1658 #if 0
1659       std::cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
1660                 << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
1661                 << "***\n";
1662 #endif
1663       ++NumArrayLenItCounts;
1664       return SCEVConstant::get(ItCst);   // Found terminating iteration!
1665     }
1666   }
1667   return UnknownValue;
1668 }
1669
1670
1671 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
1672 /// specified type, assuming that all operands were constants.
1673 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
1674   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I) ||
1675       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
1676     return true;
1677   
1678   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
1679     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
1680       return canConstantFoldCallTo((Function*)F);  // FIXME: elim cast
1681   return false;
1682 }
1683
1684 /// ConstantFold - Constant fold an instruction of the specified type with the
1685 /// specified constant operands.  This function may modify the operands vector.
1686 static Constant *ConstantFold(const Instruction *I,
1687                               std::vector<Constant*> &Operands) {
1688   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I))
1689     return ConstantExpr::get(I->getOpcode(), Operands[0], Operands[1]);
1690
1691   switch (I->getOpcode()) {
1692   case Instruction::Cast:
1693     return ConstantExpr::getCast(Operands[0], I->getType());
1694   case Instruction::Select:
1695     return ConstantExpr::getSelect(Operands[0], Operands[1], Operands[2]);
1696   case Instruction::Call:
1697     if (Function *GV = dyn_cast<Function>(Operands[0])) {
1698       Operands.erase(Operands.begin());
1699       return ConstantFoldCall(cast<Function>(GV), Operands);
1700     }
1701
1702     return 0;
1703   case Instruction::GetElementPtr:
1704     Constant *Base = Operands[0];
1705     Operands.erase(Operands.begin());
1706     return ConstantExpr::getGetElementPtr(Base, Operands);
1707   }
1708   return 0;
1709 }
1710
1711
1712 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
1713 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
1714 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
1715 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
1716 /// constraints, return null.
1717 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
1718   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
1719   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
1720   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1721   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
1722
1723   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1724     if (L->getHeader() == I->getParent())
1725       return PN;
1726     else
1727       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
1728       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
1729       return 0;
1730
1731   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
1732   // are constants, return early.
1733   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
1734   
1735   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
1736   // constant or derived from a PHI node themselves.
1737   PHINode *PHI = 0;
1738   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
1739     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
1740           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
1741       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
1742       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
1743       if (PHI == 0)
1744         PHI = P;
1745       else if (PHI != P)
1746         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
1747     }
1748
1749   // This is a expression evolving from a constant PHI!
1750   return PHI;
1751 }
1752
1753 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
1754 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
1755 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
1756 /// reason, return null.
1757 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
1758   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
1759   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V))
1760     return GV;
1761   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
1762   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1763
1764   std::vector<Constant*> Operands;
1765   Operands.resize(I->getNumOperands());
1766
1767   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1768     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
1769     if (Operands[i] == 0) return 0;
1770   }
1771
1772   return ConstantFold(I, Operands);
1773 }
1774
1775 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1776 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1777 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1778 /// involving constants, fold it.
1779 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
1780 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its, const Loop *L) {
1781   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
1782     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
1783   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
1784     return I->second;
1785
1786   if (Its > MaxBruteForceIterations) 
1787     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
1788
1789   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
1790
1791   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1792   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1793   // second must be derived from the same PHI.
1794   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1795   Constant *StartCST =
1796     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1797   if (StartCST == 0)
1798     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
1799
1800   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1801   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1802   if (PN2 != PN)
1803     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
1804
1805   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
1806   unsigned IterationNum = 0;
1807   unsigned NumIterations = Its;
1808   if (NumIterations != Its)
1809     return RetVal = 0;  // More than 2^32 iterations??
1810
1811   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
1812     if (IterationNum == NumIterations)
1813       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
1814
1815     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1816     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1817     if (NextPHI == PHIVal)
1818       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
1819     if (NextPHI == 0)
1820       return 0;        // Couldn't evaluate!
1821     PHIVal = NextPHI;
1822   }
1823 }
1824
1825 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1826 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1827 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1828 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1829 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1830 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1831 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
1832   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
1833   if (PN == 0) return UnknownValue;
1834
1835   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1836   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1837   // second must be derived from the same PHI.
1838   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1839   Constant *StartCST =
1840     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1841   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
1842
1843   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1844   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1845   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
1846
1847   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
1848   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
1849   // "ExitWhen".
1850   unsigned IterationNum = 0;
1851   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
1852   for (Constant *PHIVal = StartCST;
1853        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
1854     ConstantBool *CondVal =
1855       dyn_cast_or_null<ConstantBool>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
1856     if (!CondVal) return UnknownValue;     // Couldn't symbolically evaluate.
1857
1858     if (CondVal->getValue() == ExitWhen) {
1859       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
1860       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
1861       return SCEVConstant::get(ConstantUInt::get(Type::UIntTy, IterationNum));
1862     }
1863     
1864     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1865     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1866     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
1867       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
1868     PHIVal = NextPHI;
1869   }
1870
1871   // Too many iterations were needed to evaluate.
1872   return UnknownValue;
1873 }
1874
1875 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
1876 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1877 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
1878 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
1879   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
1880
1881   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
1882   
1883   // If this instruction is evolves from a constant-evolving PHI, compute the
1884   // exit value from the loop without using SCEVs.
1885   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
1886     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
1887       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
1888       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
1889         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1890           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
1891             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
1892             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
1893             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
1894             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
1895             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
1896               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
1897               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
1898               // the specified iteration number.
1899               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
1900                                                ICC->getValue()->getRawValue(),
1901                                                                LI);
1902               if (RV) return SCEVUnknown::get(RV);
1903             }
1904           }
1905
1906       // Okay, this is a some expression that we cannot symbolically evaluate
1907       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
1908       // the arguments into constants, and if see, try to constant propagate the
1909       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
1910       if (CanConstantFold(I)) {
1911         std::vector<Constant*> Operands;
1912         Operands.reserve(I->getNumOperands());
1913         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1914           Value *Op = I->getOperand(i);
1915           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
1916             Operands.push_back(C);
1917           } else {
1918             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
1919             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
1920               Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(SC->getValue(),
1921                                                        Op->getType()));
1922             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
1923               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
1924                 Operands.push_back(ConstantExpr::getCast(C, Op->getType()));
1925               else
1926                 return V;
1927             } else {
1928               return V;
1929             }
1930           }
1931         }
1932         return SCEVUnknown::get(ConstantFold(I, Operands));
1933       }
1934     }
1935
1936     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
1937     return V;
1938   }
1939
1940   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
1941     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
1942     // expression has no loop-variant portions.
1943     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1944       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1945       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
1946         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1947         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
1948         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
1949         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
1950         NewOps.push_back(OpAtScope);
1951
1952         for (++i; i != e; ++i) {
1953           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1954           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1955           NewOps.push_back(OpAtScope);
1956         }
1957         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
1958           return SCEVAddExpr::get(NewOps);
1959         assert(isa<SCEVMulExpr>(Comm) && "Only know about add and mul!");
1960         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
1961       }
1962     }
1963     // If we got here, all operands are loop invariant.
1964     return Comm;
1965   }
1966
1967   if (SCEVUDivExpr *UDiv = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
1968     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(UDiv->getLHS(), L);
1969     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
1970     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(UDiv->getRHS(), L);
1971     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
1972     if (LHS == UDiv->getLHS() && RHS == UDiv->getRHS())
1973       return UDiv;   // must be loop invariant
1974     return SCEVUDivExpr::get(LHS, RHS);
1975   }
1976
1977   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
1978   // are dealing with the final value computed by the loop.
1979   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
1980     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
1981       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
1982       // loop iterates.  Compute this now.
1983       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
1984       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
1985       IterationCount = getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
1986                                                AddRec->getType());
1987       
1988       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
1989       // Start + Step*IterationCount.
1990       if (AddRec->isAffine())
1991         return SCEVAddExpr::get(AddRec->getStart(),
1992                                 SCEVMulExpr::get(IterationCount,
1993                                                  AddRec->getOperand(1)));
1994
1995       // Otherwise, evaluate it the hard way.
1996       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount);
1997     }
1998     return UnknownValue;
1999   }
2000
2001   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2002   return UnknownValue;
2003 }
2004
2005
2006 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2007 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2008 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2009 ///
2010 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2011 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec) {
2012   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2013   SCEVConstant *L = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2014   SCEVConstant *M = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2015   SCEVConstant *N = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2016   
2017   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2018   if (!L || !M || !N) {
2019     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2020     return std::make_pair(CNC, CNC);
2021   }
2022
2023   Constant *Two = ConstantInt::get(L->getValue()->getType(), 2);
2024   
2025   // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2026   Constant *C = L->getValue();
2027   // The B coefficient is M-N/2
2028   Constant *B = ConstantExpr::getSub(M->getValue(),
2029                                      ConstantExpr::getDiv(N->getValue(),
2030                                                           Two));
2031   // The A coefficient is N/2
2032   Constant *A = ConstantExpr::getDiv(N->getValue(), Two);
2033         
2034   // Compute the B^2-4ac term.
2035   Constant *SqrtTerm =
2036     ConstantExpr::getMul(ConstantInt::get(C->getType(), 4),
2037                          ConstantExpr::getMul(A, C));
2038   SqrtTerm = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getMul(B, B), SqrtTerm);
2039
2040   // Compute floor(sqrt(B^2-4ac))
2041   ConstantUInt *SqrtVal =
2042     cast<ConstantUInt>(ConstantExpr::getCast(SqrtTerm,
2043                                    SqrtTerm->getType()->getUnsignedVersion()));
2044   uint64_t SqrtValV = SqrtVal->getValue();
2045   uint64_t SqrtValV2 = (uint64_t)sqrt((double)SqrtValV);
2046   // The square root might not be precise for arbitrary 64-bit integer
2047   // values.  Do some sanity checks to ensure it's correct.
2048   if (SqrtValV2*SqrtValV2 > SqrtValV ||
2049       (SqrtValV2+1)*(SqrtValV2+1) <= SqrtValV) {
2050     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2051     return std::make_pair(CNC, CNC);
2052   }
2053
2054   SqrtVal = ConstantUInt::get(Type::ULongTy, SqrtValV2);
2055   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtVal, SqrtTerm->getType());
2056   
2057   Constant *NegB = ConstantExpr::getNeg(B);
2058   Constant *TwoA = ConstantExpr::getMul(A, Two);
2059   
2060   // The divisions must be performed as signed divisions.
2061   const Type *SignedTy = NegB->getType()->getSignedVersion();
2062   NegB = ConstantExpr::getCast(NegB, SignedTy);
2063   TwoA = ConstantExpr::getCast(TwoA, SignedTy);
2064   SqrtTerm = ConstantExpr::getCast(SqrtTerm, SignedTy);
2065   
2066   Constant *Solution1 =
2067     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getAdd(NegB, SqrtTerm), TwoA);
2068   Constant *Solution2 =
2069     ConstantExpr::getDiv(ConstantExpr::getSub(NegB, SqrtTerm), TwoA);
2070   return std::make_pair(SCEVUnknown::get(Solution1),
2071                         SCEVUnknown::get(Solution2));
2072 }
2073
2074 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2075 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2076 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2077   // If the value is a constant
2078   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2079     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2080     if (C->getValue()->isNullValue()) return C;
2081     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2082   }
2083
2084   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2085   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2086     return UnknownValue;
2087
2088   if (AddRec->isAffine()) {
2089     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
2090     // equal to:
2091     //
2092     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
2093     //
2094     // Get the initial value for the loop.
2095     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2096     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2097     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
2098
2099     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
2100
2101     // Figure out if Start % Step == 0.
2102     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
2103     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2104       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
2105         return getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
2106       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
2107         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
2108
2109       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
2110       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
2111         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
2112         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
2113         Constant *Rem = ConstantExpr::getRem(StartNegC, StepC->getValue());
2114         if (Rem->isNullValue()) {
2115           Constant *Result =ConstantExpr::getDiv(StartNegC,StepC->getValue());
2116           return SCEVUnknown::get(Result);
2117         }
2118       }
2119     }
2120   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2121     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2122     // the quadratic equation to solve it.
2123     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec);
2124     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2125     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2126     if (R1) {
2127 #if 0
2128       std::cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2129                 << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2130 #endif
2131       // Pick the smallest positive root value.
2132       assert(R1->getType()->isUnsigned()&&"Didn't canonicalize to unsigned?");
2133       if (ConstantBool *CB =
2134           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
2135                                                         R2->getValue()))) {
2136         if (CB != ConstantBool::True)
2137           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2138           
2139         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2140         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2141         // should not accept a root of 2.
2142         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1);
2143         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
2144           if (EvalVal->getValue()->isNullValue())
2145             return R1;  // We found a quadratic root!
2146       }
2147     }
2148   }
2149   
2150   return UnknownValue;
2151 }
2152
2153 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2154 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2155 /// UnknownValue
2156 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2157   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2158   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2159   // future as needed.
2160  
2161   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2162   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2163   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2164     Constant *Zero = Constant::getNullValue(C->getValue()->getType());
2165     Constant *NonZero = ConstantExpr::getSetNE(C->getValue(), Zero);
2166     if (NonZero == ConstantBool::True)
2167       return getSCEV(Zero);
2168     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2169   }
2170   
2171   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2172   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2173   return UnknownValue;
2174 }
2175
2176 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2177 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2178 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2179 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2180 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2181 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range) const {
2182   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2183     return new SCEVCouldNotCompute();
2184
2185   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2186   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2187     if (!SC->getValue()->isNullValue()) {
2188       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2189       Operands[0] = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2190       SCEVHandle Shifted = SCEVAddRecExpr::get(Operands, getLoop());
2191       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2192         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2193                                               Range.subtract(SC->getValue()));
2194       // This is strange and shouldn't happen.
2195       return new SCEVCouldNotCompute();
2196     }
2197
2198   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2199   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2200   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2201     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2202       return new SCEVCouldNotCompute();
2203
2204
2205   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2206   // that the start element is zero.
2207
2208   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2209   // iteration exits.
2210   ConstantInt *Zero = ConstantInt::get(getType(), 0);
2211   if (!Range.contains(Zero)) return SCEVConstant::get(Zero);
2212   
2213   if (isAffine()) {
2214     // If this is an affine expression then we have this situation:
2215     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2216
2217     // Since we know that zero is in the range, we know that the upper value of
2218     // the range must be the first possible exit value.  Also note that we
2219     // already checked for a full range.
2220     ConstantInt *Upper = cast<ConstantInt>(Range.getUpper());
2221     ConstantInt *A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue();
2222     ConstantInt *One   = ConstantInt::get(getType(), 1);
2223
2224     // The exit value should be (Upper+A-1)/A.
2225     Constant *ExitValue = Upper;
2226     if (A != One) {
2227       ExitValue = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getAdd(Upper, A), One);
2228       ExitValue = ConstantExpr::getDiv(ExitValue, A);
2229     }
2230     assert(isa<ConstantInt>(ExitValue) &&
2231            "Constant folding of integers not implemented?");
2232
2233     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2234     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2235     // things must have happened.
2236     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue);
2237     if (Range.contains(Val))
2238       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2239
2240     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2241     assert(Range.contains(EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2242                               ConstantExpr::getSub(ExitValue, One))) &&
2243            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2244     return SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(ExitValue));
2245   } else if (isQuadratic()) {
2246     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2247     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2248     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2249     // Range.getUpper() is crossed.
2250     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2251     NewOps[0] = getNegativeSCEV(SCEVUnknown::get(Range.getUpper()));
2252     SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, getLoop());
2253
2254     // Next, solve the constructed addrec
2255     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2256       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec));
2257     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2258     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2259     if (R1) {
2260       // Pick the smallest positive root value.
2261       assert(R1->getType()->isUnsigned() && "Didn't canonicalize to unsigned?");
2262       if (ConstantBool *CB =
2263           dyn_cast<ConstantBool>(ConstantExpr::getSetLT(R1->getValue(),
2264                                                         R2->getValue()))) {
2265         if (CB != ConstantBool::True)
2266           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2267           
2268         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2269         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2270         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2271         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2272                                                              R1->getValue());
2273         if (Range.contains(R1Val)) {
2274           // The next iteration must be out of the range...
2275           Constant *NextVal =
2276             ConstantExpr::getAdd(R1->getValue(),
2277                                  ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2278           
2279           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2280           if (!Range.contains(R1Val))
2281             return SCEVUnknown::get(NextVal);
2282           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2283         }
2284    
2285         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2286         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2287         Constant *NextVal =
2288           ConstantExpr::getSub(R1->getValue(),
2289                                ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2290         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2291         if (Range.contains(R1Val))
2292           return R1;
2293         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2294       }
2295     }
2296   }
2297
2298   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2299   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2300   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2301   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2302   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2303   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2304   ConstantInt *One     = ConstantInt::get(getType(), 1);
2305   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2306   do {
2307     ++NumBruteForceEvaluations;
2308     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SCEVConstant::get(TestVal));
2309     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2310       return new SCEVCouldNotCompute();
2311
2312     // Check to see if we found the value!
2313     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()))
2314       return SCEVConstant::get(TestVal);
2315
2316     // Increment to test the next index.
2317     TestVal = cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getAdd(TestVal, One));
2318   } while (TestVal != EndVal);
2319   
2320   return new SCEVCouldNotCompute();
2321 }
2322
2323
2324
2325 //===----------------------------------------------------------------------===//
2326 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2327 //===----------------------------------------------------------------------===//
2328
2329 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2330   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(F, getAnalysis<LoopInfo>());
2331   return false;
2332 }
2333
2334 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2335   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2336   Impl = 0;
2337 }
2338
2339 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2340   AU.setPreservesAll();
2341   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
2342   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2343 }
2344
2345 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2346   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2347 }
2348
2349 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2350   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2351 }
2352
2353 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2354   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2355 }
2356
2357 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2358   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2359 }
2360
2361 void ScalarEvolution::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) const {
2362   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteInstructionFromRecords(I);
2363 }
2364
2365 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE, 
2366                           const Loop *L) {
2367   // Print all inner loops first
2368   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2369     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2370   
2371   std::cerr << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2372
2373   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
2374   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2375   if (ExitBlocks.size() != 1)
2376     std::cerr << "<multiple exits> ";
2377
2378   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2379     std::cerr << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2380   } else {
2381     std::cerr << "Unpredictable iteration count. ";
2382   }
2383
2384   std::cerr << "\n";
2385 }
2386
2387 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS, const Module* ) const {
2388   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2389   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2390
2391   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2392   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2393     if (I->getType()->isInteger()) {
2394       OS << *I;
2395       OS << "  --> ";
2396       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2397       SV->print(OS);
2398       OS << "\t\t";
2399       
2400       if ((*I).getType()->isIntegral()) {
2401         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2402         if (!Bounds.isFullSet())
2403           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2404       }
2405
2406       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2407         OS << "Exits: ";
2408         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2409         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2410           OS << "<<Unknown>>";
2411         } else {
2412           OS << *ExitValue;
2413         }
2414       }
2415
2416
2417       OS << "\n";
2418     }
2419
2420   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2421   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2422     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2423 }
2424