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