42069d294038c1c50530ea6f8332fdaaf2737af4
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolutionExpander.cpp
1 //===- ScalarEvolutionExpander.cpp - Scalar Evolution Analysis --*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains the implementation of the scalar evolution expander,
11 // which is used to generate the code corresponding to a given scalar evolution
12 // expression.
13 //
14 //===----------------------------------------------------------------------===//
15
16 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
17 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
18 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
19 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
20 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
21 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
22 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
23 #include "llvm/IR/Dominators.h"
24 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
25 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
26 #include "llvm/IR/Module.h"
27 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
28 #include "llvm/Support/Debug.h"
29 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
30
31 using namespace llvm;
32 using namespace PatternMatch;
33
34 /// ReuseOrCreateCast - Arrange for there to be a cast of V to Ty at IP,
35 /// reusing an existing cast if a suitable one exists, moving an existing
36 /// cast if a suitable one exists but isn't in the right place, or
37 /// creating a new one.
38 Value *SCEVExpander::ReuseOrCreateCast(Value *V, Type *Ty,
39                                        Instruction::CastOps Op,
40                                        BasicBlock::iterator IP) {
41   // This function must be called with the builder having a valid insertion
42   // point. It doesn't need to be the actual IP where the uses of the returned
43   // cast will be added, but it must dominate such IP.
44   // We use this precondition to produce a cast that will dominate all its
45   // uses. In particular, this is crucial for the case where the builder's
46   // insertion point *is* the point where we were asked to put the cast.
47   // Since we don't know the builder's insertion point is actually
48   // where the uses will be added (only that it dominates it), we are
49   // not allowed to move it.
50   BasicBlock::iterator BIP = Builder.GetInsertPoint();
51
52   Instruction *Ret = nullptr;
53
54   // Check to see if there is already a cast!
55   for (User *U : V->users())
56     if (U->getType() == Ty)
57       if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(U))
58         if (CI->getOpcode() == Op) {
59           // If the cast isn't where we want it, create a new cast at IP.
60           // Likewise, do not reuse a cast at BIP because it must dominate
61           // instructions that might be inserted before BIP.
62           if (BasicBlock::iterator(CI) != IP || BIP == IP) {
63             // Create a new cast, and leave the old cast in place in case
64             // it is being used as an insert point. Clear its operand
65             // so that it doesn't hold anything live.
66             Ret = CastInst::Create(Op, V, Ty, "", IP);
67             Ret->takeName(CI);
68             CI->replaceAllUsesWith(Ret);
69             CI->setOperand(0, UndefValue::get(V->getType()));
70             break;
71           }
72           Ret = CI;
73           break;
74         }
75
76   // Create a new cast.
77   if (!Ret)
78     Ret = CastInst::Create(Op, V, Ty, V->getName(), IP);
79
80   // We assert at the end of the function since IP might point to an
81   // instruction with different dominance properties than a cast
82   // (an invoke for example) and not dominate BIP (but the cast does).
83   assert(SE.DT->dominates(Ret, BIP));
84
85   rememberInstruction(Ret);
86   return Ret;
87 }
88
89 /// InsertNoopCastOfTo - Insert a cast of V to the specified type,
90 /// which must be possible with a noop cast, doing what we can to share
91 /// the casts.
92 Value *SCEVExpander::InsertNoopCastOfTo(Value *V, Type *Ty) {
93   Instruction::CastOps Op = CastInst::getCastOpcode(V, false, Ty, false);
94   assert((Op == Instruction::BitCast ||
95           Op == Instruction::PtrToInt ||
96           Op == Instruction::IntToPtr) &&
97          "InsertNoopCastOfTo cannot perform non-noop casts!");
98   assert(SE.getTypeSizeInBits(V->getType()) == SE.getTypeSizeInBits(Ty) &&
99          "InsertNoopCastOfTo cannot change sizes!");
100
101   // Short-circuit unnecessary bitcasts.
102   if (Op == Instruction::BitCast) {
103     if (V->getType() == Ty)
104       return V;
105     if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(V)) {
106       if (CI->getOperand(0)->getType() == Ty)
107         return CI->getOperand(0);
108     }
109   }
110   // Short-circuit unnecessary inttoptr<->ptrtoint casts.
111   if ((Op == Instruction::PtrToInt || Op == Instruction::IntToPtr) &&
112       SE.getTypeSizeInBits(Ty) == SE.getTypeSizeInBits(V->getType())) {
113     if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(V))
114       if ((CI->getOpcode() == Instruction::PtrToInt ||
115            CI->getOpcode() == Instruction::IntToPtr) &&
116           SE.getTypeSizeInBits(CI->getType()) ==
117           SE.getTypeSizeInBits(CI->getOperand(0)->getType()))
118         return CI->getOperand(0);
119     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
120       if ((CE->getOpcode() == Instruction::PtrToInt ||
121            CE->getOpcode() == Instruction::IntToPtr) &&
122           SE.getTypeSizeInBits(CE->getType()) ==
123           SE.getTypeSizeInBits(CE->getOperand(0)->getType()))
124         return CE->getOperand(0);
125   }
126
127   // Fold a cast of a constant.
128   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
129     return ConstantExpr::getCast(Op, C, Ty);
130
131   // Cast the argument at the beginning of the entry block, after
132   // any bitcasts of other arguments.
133   if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(V)) {
134     BasicBlock::iterator IP = A->getParent()->getEntryBlock().begin();
135     while ((isa<BitCastInst>(IP) &&
136             isa<Argument>(cast<BitCastInst>(IP)->getOperand(0)) &&
137             cast<BitCastInst>(IP)->getOperand(0) != A) ||
138            isa<DbgInfoIntrinsic>(IP) ||
139            isa<LandingPadInst>(IP))
140       ++IP;
141     return ReuseOrCreateCast(A, Ty, Op, IP);
142   }
143
144   // Cast the instruction immediately after the instruction.
145   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
146   BasicBlock::iterator IP = I; ++IP;
147   if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(I))
148     IP = II->getNormalDest()->begin();
149   while (isa<PHINode>(IP) || isa<LandingPadInst>(IP))
150     ++IP;
151   return ReuseOrCreateCast(I, Ty, Op, IP);
152 }
153
154 /// InsertBinop - Insert the specified binary operator, doing a small amount
155 /// of work to avoid inserting an obviously redundant operation.
156 Value *SCEVExpander::InsertBinop(Instruction::BinaryOps Opcode,
157                                  Value *LHS, Value *RHS) {
158   // Fold a binop with constant operands.
159   if (Constant *CLHS = dyn_cast<Constant>(LHS))
160     if (Constant *CRHS = dyn_cast<Constant>(RHS))
161       return ConstantExpr::get(Opcode, CLHS, CRHS);
162
163   // Do a quick scan to see if we have this binop nearby.  If so, reuse it.
164   unsigned ScanLimit = 6;
165   BasicBlock::iterator BlockBegin = Builder.GetInsertBlock()->begin();
166   // Scanning starts from the last instruction before the insertion point.
167   BasicBlock::iterator IP = Builder.GetInsertPoint();
168   if (IP != BlockBegin) {
169     --IP;
170     for (; ScanLimit; --IP, --ScanLimit) {
171       // Don't count dbg.value against the ScanLimit, to avoid perturbing the
172       // generated code.
173       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP))
174         ScanLimit++;
175       if (IP->getOpcode() == (unsigned)Opcode && IP->getOperand(0) == LHS &&
176           IP->getOperand(1) == RHS)
177         return IP;
178       if (IP == BlockBegin) break;
179     }
180   }
181
182   // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
183   DebugLoc Loc = Builder.GetInsertPoint()->getDebugLoc();
184   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
185
186   // Move the insertion point out of as many loops as we can.
187   while (const Loop *L = SE.LI->getLoopFor(Builder.GetInsertBlock())) {
188     if (!L->isLoopInvariant(LHS) || !L->isLoopInvariant(RHS)) break;
189     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
190     if (!Preheader) break;
191
192     // Ok, move up a level.
193     Builder.SetInsertPoint(Preheader, Preheader->getTerminator());
194   }
195
196   // If we haven't found this binop, insert it.
197   Instruction *BO = cast<Instruction>(Builder.CreateBinOp(Opcode, LHS, RHS));
198   BO->setDebugLoc(Loc);
199   rememberInstruction(BO);
200
201   return BO;
202 }
203
204 /// FactorOutConstant - Test if S is divisible by Factor, using signed
205 /// division. If so, update S with Factor divided out and return true.
206 /// S need not be evenly divisible if a reasonable remainder can be
207 /// computed.
208 /// TODO: When ScalarEvolution gets a SCEVSDivExpr, this can be made
209 /// unnecessary; in its place, just signed-divide Ops[i] by the scale and
210 /// check to see if the divide was folded.
211 static bool FactorOutConstant(const SCEV *&S, const SCEV *&Remainder,
212                               const SCEV *Factor, ScalarEvolution &SE,
213                               const DataLayout &DL) {
214   // Everything is divisible by one.
215   if (Factor->isOne())
216     return true;
217
218   // x/x == 1.
219   if (S == Factor) {
220     S = SE.getConstant(S->getType(), 1);
221     return true;
222   }
223
224   // For a Constant, check for a multiple of the given factor.
225   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
226     // 0/x == 0.
227     if (C->isZero())
228       return true;
229     // Check for divisibility.
230     if (const SCEVConstant *FC = dyn_cast<SCEVConstant>(Factor)) {
231       ConstantInt *CI =
232         ConstantInt::get(SE.getContext(),
233                          C->getValue()->getValue().sdiv(
234                                                    FC->getValue()->getValue()));
235       // If the quotient is zero and the remainder is non-zero, reject
236       // the value at this scale. It will be considered for subsequent
237       // smaller scales.
238       if (!CI->isZero()) {
239         const SCEV *Div = SE.getConstant(CI);
240         S = Div;
241         Remainder =
242           SE.getAddExpr(Remainder,
243                         SE.getConstant(C->getValue()->getValue().srem(
244                                                   FC->getValue()->getValue())));
245         return true;
246       }
247     }
248   }
249
250   // In a Mul, check if there is a constant operand which is a multiple
251   // of the given factor.
252   if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
253     // Size is known, check if there is a constant operand which is a multiple
254     // of the given factor. If so, we can factor it.
255     const SCEVConstant *FC = cast<SCEVConstant>(Factor);
256     if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(M->getOperand(0)))
257       if (!C->getValue()->getValue().srem(FC->getValue()->getValue())) {
258         SmallVector<const SCEV *, 4> NewMulOps(M->op_begin(), M->op_end());
259         NewMulOps[0] = SE.getConstant(
260             C->getValue()->getValue().sdiv(FC->getValue()->getValue()));
261         S = SE.getMulExpr(NewMulOps);
262         return true;
263       }
264   }
265
266   // In an AddRec, check if both start and step are divisible.
267   if (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
268     const SCEV *Step = A->getStepRecurrence(SE);
269     const SCEV *StepRem = SE.getConstant(Step->getType(), 0);
270     if (!FactorOutConstant(Step, StepRem, Factor, SE, DL))
271       return false;
272     if (!StepRem->isZero())
273       return false;
274     const SCEV *Start = A->getStart();
275     if (!FactorOutConstant(Start, Remainder, Factor, SE, DL))
276       return false;
277     S = SE.getAddRecExpr(Start, Step, A->getLoop(),
278                          A->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW));
279     return true;
280   }
281
282   return false;
283 }
284
285 /// SimplifyAddOperands - Sort and simplify a list of add operands. NumAddRecs
286 /// is the number of SCEVAddRecExprs present, which are kept at the end of
287 /// the list.
288 ///
289 static void SimplifyAddOperands(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
290                                 Type *Ty,
291                                 ScalarEvolution &SE) {
292   unsigned NumAddRecs = 0;
293   for (unsigned i = Ops.size(); i > 0 && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[i-1]); --i)
294     ++NumAddRecs;
295   // Group Ops into non-addrecs and addrecs.
296   SmallVector<const SCEV *, 8> NoAddRecs(Ops.begin(), Ops.end() - NumAddRecs);
297   SmallVector<const SCEV *, 8> AddRecs(Ops.end() - NumAddRecs, Ops.end());
298   // Let ScalarEvolution sort and simplify the non-addrecs list.
299   const SCEV *Sum = NoAddRecs.empty() ?
300                     SE.getConstant(Ty, 0) :
301                     SE.getAddExpr(NoAddRecs);
302   // If it returned an add, use the operands. Otherwise it simplified
303   // the sum into a single value, so just use that.
304   Ops.clear();
305   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Sum))
306     Ops.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
307   else if (!Sum->isZero())
308     Ops.push_back(Sum);
309   // Then append the addrecs.
310   Ops.append(AddRecs.begin(), AddRecs.end());
311 }
312
313 /// SplitAddRecs - Flatten a list of add operands, moving addrec start values
314 /// out to the top level. For example, convert {a + b,+,c} to a, b, {0,+,d}.
315 /// This helps expose more opportunities for folding parts of the expressions
316 /// into GEP indices.
317 ///
318 static void SplitAddRecs(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
319                          Type *Ty,
320                          ScalarEvolution &SE) {
321   // Find the addrecs.
322   SmallVector<const SCEV *, 8> AddRecs;
323   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
324     while (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[i])) {
325       const SCEV *Start = A->getStart();
326       if (Start->isZero()) break;
327       const SCEV *Zero = SE.getConstant(Ty, 0);
328       AddRecs.push_back(SE.getAddRecExpr(Zero,
329                                          A->getStepRecurrence(SE),
330                                          A->getLoop(),
331                                          A->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
332       if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Start)) {
333         Ops[i] = Zero;
334         Ops.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
335         e += Add->getNumOperands();
336       } else {
337         Ops[i] = Start;
338       }
339     }
340   if (!AddRecs.empty()) {
341     // Add the addrecs onto the end of the list.
342     Ops.append(AddRecs.begin(), AddRecs.end());
343     // Resort the operand list, moving any constants to the front.
344     SimplifyAddOperands(Ops, Ty, SE);
345   }
346 }
347
348 /// expandAddToGEP - Expand an addition expression with a pointer type into
349 /// a GEP instead of using ptrtoint+arithmetic+inttoptr. This helps
350 /// BasicAliasAnalysis and other passes analyze the result. See the rules
351 /// for getelementptr vs. inttoptr in
352 /// http://llvm.org/docs/LangRef.html#pointeraliasing
353 /// for details.
354 ///
355 /// Design note: The correctness of using getelementptr here depends on
356 /// ScalarEvolution not recognizing inttoptr and ptrtoint operators, as
357 /// they may introduce pointer arithmetic which may not be safely converted
358 /// into getelementptr.
359 ///
360 /// Design note: It might seem desirable for this function to be more
361 /// loop-aware. If some of the indices are loop-invariant while others
362 /// aren't, it might seem desirable to emit multiple GEPs, keeping the
363 /// loop-invariant portions of the overall computation outside the loop.
364 /// However, there are a few reasons this is not done here. Hoisting simple
365 /// arithmetic is a low-level optimization that often isn't very
366 /// important until late in the optimization process. In fact, passes
367 /// like InstructionCombining will combine GEPs, even if it means
368 /// pushing loop-invariant computation down into loops, so even if the
369 /// GEPs were split here, the work would quickly be undone. The
370 /// LoopStrengthReduction pass, which is usually run quite late (and
371 /// after the last InstructionCombining pass), takes care of hoisting
372 /// loop-invariant portions of expressions, after considering what
373 /// can be folded using target addressing modes.
374 ///
375 Value *SCEVExpander::expandAddToGEP(const SCEV *const *op_begin,
376                                     const SCEV *const *op_end,
377                                     PointerType *PTy,
378                                     Type *Ty,
379                                     Value *V) {
380   Type *OriginalElTy = PTy->getElementType();
381   Type *ElTy = OriginalElTy;
382   SmallVector<Value *, 4> GepIndices;
383   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops(op_begin, op_end);
384   bool AnyNonZeroIndices = false;
385
386   // Split AddRecs up into parts as either of the parts may be usable
387   // without the other.
388   SplitAddRecs(Ops, Ty, SE);
389
390   Type *IntPtrTy = DL.getIntPtrType(PTy);
391
392   // Descend down the pointer's type and attempt to convert the other
393   // operands into GEP indices, at each level. The first index in a GEP
394   // indexes into the array implied by the pointer operand; the rest of
395   // the indices index into the element or field type selected by the
396   // preceding index.
397   for (;;) {
398     // If the scale size is not 0, attempt to factor out a scale for
399     // array indexing.
400     SmallVector<const SCEV *, 8> ScaledOps;
401     if (ElTy->isSized()) {
402       const SCEV *ElSize = SE.getSizeOfExpr(IntPtrTy, ElTy);
403       if (!ElSize->isZero()) {
404         SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps;
405         for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
406           const SCEV *Op = Ops[i];
407           const SCEV *Remainder = SE.getConstant(Ty, 0);
408           if (FactorOutConstant(Op, Remainder, ElSize, SE, DL)) {
409             // Op now has ElSize factored out.
410             ScaledOps.push_back(Op);
411             if (!Remainder->isZero())
412               NewOps.push_back(Remainder);
413             AnyNonZeroIndices = true;
414           } else {
415             // The operand was not divisible, so add it to the list of operands
416             // we'll scan next iteration.
417             NewOps.push_back(Ops[i]);
418           }
419         }
420         // If we made any changes, update Ops.
421         if (!ScaledOps.empty()) {
422           Ops = NewOps;
423           SimplifyAddOperands(Ops, Ty, SE);
424         }
425       }
426     }
427
428     // Record the scaled array index for this level of the type. If
429     // we didn't find any operands that could be factored, tentatively
430     // assume that element zero was selected (since the zero offset
431     // would obviously be folded away).
432     Value *Scaled = ScaledOps.empty() ?
433                     Constant::getNullValue(Ty) :
434                     expandCodeFor(SE.getAddExpr(ScaledOps), Ty);
435     GepIndices.push_back(Scaled);
436
437     // Collect struct field index operands.
438     while (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(ElTy)) {
439       bool FoundFieldNo = false;
440       // An empty struct has no fields.
441       if (STy->getNumElements() == 0) break;
442       // Field offsets are known. See if a constant offset falls within any of
443       // the struct fields.
444       if (Ops.empty())
445         break;
446       if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0]))
447         if (SE.getTypeSizeInBits(C->getType()) <= 64) {
448           const StructLayout &SL = *DL.getStructLayout(STy);
449           uint64_t FullOffset = C->getValue()->getZExtValue();
450           if (FullOffset < SL.getSizeInBytes()) {
451             unsigned ElIdx = SL.getElementContainingOffset(FullOffset);
452             GepIndices.push_back(
453                 ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Ty->getContext()), ElIdx));
454             ElTy = STy->getTypeAtIndex(ElIdx);
455             Ops[0] =
456                 SE.getConstant(Ty, FullOffset - SL.getElementOffset(ElIdx));
457             AnyNonZeroIndices = true;
458             FoundFieldNo = true;
459           }
460         }
461       // If no struct field offsets were found, tentatively assume that
462       // field zero was selected (since the zero offset would obviously
463       // be folded away).
464       if (!FoundFieldNo) {
465         ElTy = STy->getTypeAtIndex(0u);
466         GepIndices.push_back(
467           Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(Ty->getContext())));
468       }
469     }
470
471     if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(ElTy))
472       ElTy = ATy->getElementType();
473     else
474       break;
475   }
476
477   // If none of the operands were convertible to proper GEP indices, cast
478   // the base to i8* and do an ugly getelementptr with that. It's still
479   // better than ptrtoint+arithmetic+inttoptr at least.
480   if (!AnyNonZeroIndices) {
481     // Cast the base to i8*.
482     V = InsertNoopCastOfTo(V,
483        Type::getInt8PtrTy(Ty->getContext(), PTy->getAddressSpace()));
484
485     assert(!isa<Instruction>(V) ||
486            SE.DT->dominates(cast<Instruction>(V), Builder.GetInsertPoint()));
487
488     // Expand the operands for a plain byte offset.
489     Value *Idx = expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty);
490
491     // Fold a GEP with constant operands.
492     if (Constant *CLHS = dyn_cast<Constant>(V))
493       if (Constant *CRHS = dyn_cast<Constant>(Idx))
494         return ConstantExpr::getGetElementPtr(Type::getInt8Ty(Ty->getContext()),
495                                               CLHS, CRHS);
496
497     // Do a quick scan to see if we have this GEP nearby.  If so, reuse it.
498     unsigned ScanLimit = 6;
499     BasicBlock::iterator BlockBegin = Builder.GetInsertBlock()->begin();
500     // Scanning starts from the last instruction before the insertion point.
501     BasicBlock::iterator IP = Builder.GetInsertPoint();
502     if (IP != BlockBegin) {
503       --IP;
504       for (; ScanLimit; --IP, --ScanLimit) {
505         // Don't count dbg.value against the ScanLimit, to avoid perturbing the
506         // generated code.
507         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP))
508           ScanLimit++;
509         if (IP->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr &&
510             IP->getOperand(0) == V && IP->getOperand(1) == Idx)
511           return IP;
512         if (IP == BlockBegin) break;
513       }
514     }
515
516     // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
517     BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
518
519     // Move the insertion point out of as many loops as we can.
520     while (const Loop *L = SE.LI->getLoopFor(Builder.GetInsertBlock())) {
521       if (!L->isLoopInvariant(V) || !L->isLoopInvariant(Idx)) break;
522       BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
523       if (!Preheader) break;
524
525       // Ok, move up a level.
526       Builder.SetInsertPoint(Preheader, Preheader->getTerminator());
527     }
528
529     // Emit a GEP.
530     Value *GEP = Builder.CreateGEP(Builder.getInt8Ty(), V, Idx, "uglygep");
531     rememberInstruction(GEP);
532
533     return GEP;
534   }
535
536   // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
537   BuilderType::InsertPoint SaveInsertPt = Builder.saveIP();
538
539   // Move the insertion point out of as many loops as we can.
540   while (const Loop *L = SE.LI->getLoopFor(Builder.GetInsertBlock())) {
541     if (!L->isLoopInvariant(V)) break;
542
543     bool AnyIndexNotLoopInvariant = false;
544     for (SmallVectorImpl<Value *>::const_iterator I = GepIndices.begin(),
545          E = GepIndices.end(); I != E; ++I)
546       if (!L->isLoopInvariant(*I)) {
547         AnyIndexNotLoopInvariant = true;
548         break;
549       }
550     if (AnyIndexNotLoopInvariant)
551       break;
552
553     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
554     if (!Preheader) break;
555
556     // Ok, move up a level.
557     Builder.SetInsertPoint(Preheader, Preheader->getTerminator());
558   }
559
560   // Insert a pretty getelementptr. Note that this GEP is not marked inbounds,
561   // because ScalarEvolution may have changed the address arithmetic to
562   // compute a value which is beyond the end of the allocated object.
563   Value *Casted = V;
564   if (V->getType() != PTy)
565     Casted = InsertNoopCastOfTo(Casted, PTy);
566   Value *GEP = Builder.CreateGEP(OriginalElTy, Casted,
567                                  GepIndices,
568                                  "scevgep");
569   Ops.push_back(SE.getUnknown(GEP));
570   rememberInstruction(GEP);
571
572   // Restore the original insert point.
573   Builder.restoreIP(SaveInsertPt);
574
575   return expand(SE.getAddExpr(Ops));
576 }
577
578 /// PickMostRelevantLoop - Given two loops pick the one that's most relevant for
579 /// SCEV expansion. If they are nested, this is the most nested. If they are
580 /// neighboring, pick the later.
581 static const Loop *PickMostRelevantLoop(const Loop *A, const Loop *B,
582                                         DominatorTree &DT) {
583   if (!A) return B;
584   if (!B) return A;
585   if (A->contains(B)) return B;
586   if (B->contains(A)) return A;
587   if (DT.dominates(A->getHeader(), B->getHeader())) return B;
588   if (DT.dominates(B->getHeader(), A->getHeader())) return A;
589   return A; // Arbitrarily break the tie.
590 }
591
592 /// getRelevantLoop - Get the most relevant loop associated with the given
593 /// expression, according to PickMostRelevantLoop.
594 const Loop *SCEVExpander::getRelevantLoop(const SCEV *S) {
595   // Test whether we've already computed the most relevant loop for this SCEV.
596   std::pair<DenseMap<const SCEV *, const Loop *>::iterator, bool> Pair =
597     RelevantLoops.insert(std::make_pair(S, nullptr));
598   if (!Pair.second)
599     return Pair.first->second;
600
601   if (isa<SCEVConstant>(S))
602     // A constant has no relevant loops.
603     return nullptr;
604   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
605     if (const Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(U->getValue()))
606       return Pair.first->second = SE.LI->getLoopFor(I->getParent());
607     // A non-instruction has no relevant loops.
608     return nullptr;
609   }
610   if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S)) {
611     const Loop *L = nullptr;
612     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
613       L = AR->getLoop();
614     for (SCEVNAryExpr::op_iterator I = N->op_begin(), E = N->op_end();
615          I != E; ++I)
616       L = PickMostRelevantLoop(L, getRelevantLoop(*I), *SE.DT);
617     return RelevantLoops[N] = L;
618   }
619   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S)) {
620     const Loop *Result = getRelevantLoop(C->getOperand());
621     return RelevantLoops[C] = Result;
622   }
623   if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
624     const Loop *Result =
625       PickMostRelevantLoop(getRelevantLoop(D->getLHS()),
626                            getRelevantLoop(D->getRHS()),
627                            *SE.DT);
628     return RelevantLoops[D] = Result;
629   }
630   llvm_unreachable("Unexpected SCEV type!");
631 }
632
633 namespace {
634
635 /// LoopCompare - Compare loops by PickMostRelevantLoop.
636 class LoopCompare {
637   DominatorTree &DT;
638 public:
639   explicit LoopCompare(DominatorTree &dt) : DT(dt) {}
640
641   bool operator()(std::pair<const Loop *, const SCEV *> LHS,
642                   std::pair<const Loop *, const SCEV *> RHS) const {
643     // Keep pointer operands sorted at the end.
644     if (LHS.second->getType()->isPointerTy() !=
645         RHS.second->getType()->isPointerTy())
646       return LHS.second->getType()->isPointerTy();
647
648     // Compare loops with PickMostRelevantLoop.
649     if (LHS.first != RHS.first)
650       return PickMostRelevantLoop(LHS.first, RHS.first, DT) != LHS.first;
651
652     // If one operand is a non-constant negative and the other is not,
653     // put the non-constant negative on the right so that a sub can
654     // be used instead of a negate and add.
655     if (LHS.second->isNonConstantNegative()) {
656       if (!RHS.second->isNonConstantNegative())
657         return false;
658     } else if (RHS.second->isNonConstantNegative())
659       return true;
660
661     // Otherwise they are equivalent according to this comparison.
662     return false;
663   }
664 };
665
666 }
667
668 Value *SCEVExpander::visitAddExpr(const SCEVAddExpr *S) {
669   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
670
671   // Collect all the add operands in a loop, along with their associated loops.
672   // Iterate in reverse so that constants are emitted last, all else equal, and
673   // so that pointer operands are inserted first, which the code below relies on
674   // to form more involved GEPs.
675   SmallVector<std::pair<const Loop *, const SCEV *>, 8> OpsAndLoops;
676   for (std::reverse_iterator<SCEVAddExpr::op_iterator> I(S->op_end()),
677        E(S->op_begin()); I != E; ++I)
678     OpsAndLoops.push_back(std::make_pair(getRelevantLoop(*I), *I));
679
680   // Sort by loop. Use a stable sort so that constants follow non-constants and
681   // pointer operands precede non-pointer operands.
682   std::stable_sort(OpsAndLoops.begin(), OpsAndLoops.end(), LoopCompare(*SE.DT));
683
684   // Emit instructions to add all the operands. Hoist as much as possible
685   // out of loops, and form meaningful getelementptrs where possible.
686   Value *Sum = nullptr;
687   for (SmallVectorImpl<std::pair<const Loop *, const SCEV *> >::iterator
688        I = OpsAndLoops.begin(), E = OpsAndLoops.end(); I != E; ) {
689     const Loop *CurLoop = I->first;
690     const SCEV *Op = I->second;
691     if (!Sum) {
692       // This is the first operand. Just expand it.
693       Sum = expand(Op);
694       ++I;
695     } else if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(Sum->getType())) {
696       // The running sum expression is a pointer. Try to form a getelementptr
697       // at this level with that as the base.
698       SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps;
699       for (; I != E && I->first == CurLoop; ++I) {
700         // If the operand is SCEVUnknown and not instructions, peek through
701         // it, to enable more of it to be folded into the GEP.
702         const SCEV *X = I->second;
703         if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(X))
704           if (!isa<Instruction>(U->getValue()))
705             X = SE.getSCEV(U->getValue());
706         NewOps.push_back(X);
707       }
708       Sum = expandAddToGEP(NewOps.begin(), NewOps.end(), PTy, Ty, Sum);
709     } else if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(Op->getType())) {
710       // The running sum is an integer, and there's a pointer at this level.
711       // Try to form a getelementptr. If the running sum is instructions,
712       // use a SCEVUnknown to avoid re-analyzing them.
713       SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps;
714       NewOps.push_back(isa<Instruction>(Sum) ? SE.getUnknown(Sum) :
715                                                SE.getSCEV(Sum));
716       for (++I; I != E && I->first == CurLoop; ++I)
717         NewOps.push_back(I->second);
718       Sum = expandAddToGEP(NewOps.begin(), NewOps.end(), PTy, Ty, expand(Op));
719     } else if (Op->isNonConstantNegative()) {
720       // Instead of doing a negate and add, just do a subtract.
721       Value *W = expandCodeFor(SE.getNegativeSCEV(Op), Ty);
722       Sum = InsertNoopCastOfTo(Sum, Ty);
723       Sum = InsertBinop(Instruction::Sub, Sum, W);
724       ++I;
725     } else {
726       // A simple add.
727       Value *W = expandCodeFor(Op, Ty);
728       Sum = InsertNoopCastOfTo(Sum, Ty);
729       // Canonicalize a constant to the RHS.
730       if (isa<Constant>(Sum)) std::swap(Sum, W);
731       Sum = InsertBinop(Instruction::Add, Sum, W);
732       ++I;
733     }
734   }
735
736   return Sum;
737 }
738
739 Value *SCEVExpander::visitMulExpr(const SCEVMulExpr *S) {
740   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
741
742   // Collect all the mul operands in a loop, along with their associated loops.
743   // Iterate in reverse so that constants are emitted last, all else equal.
744   SmallVector<std::pair<const Loop *, const SCEV *>, 8> OpsAndLoops;
745   for (std::reverse_iterator<SCEVMulExpr::op_iterator> I(S->op_end()),
746        E(S->op_begin()); I != E; ++I)
747     OpsAndLoops.push_back(std::make_pair(getRelevantLoop(*I), *I));
748
749   // Sort by loop. Use a stable sort so that constants follow non-constants.
750   std::stable_sort(OpsAndLoops.begin(), OpsAndLoops.end(), LoopCompare(*SE.DT));
751
752   // Emit instructions to mul all the operands. Hoist as much as possible
753   // out of loops.
754   Value *Prod = nullptr;
755   for (SmallVectorImpl<std::pair<const Loop *, const SCEV *> >::iterator
756        I = OpsAndLoops.begin(), E = OpsAndLoops.end(); I != E; ++I) {
757     const SCEV *Op = I->second;
758     if (!Prod) {
759       // This is the first operand. Just expand it.
760       Prod = expand(Op);
761     } else if (Op->isAllOnesValue()) {
762       // Instead of doing a multiply by negative one, just do a negate.
763       Prod = InsertNoopCastOfTo(Prod, Ty);
764       Prod = InsertBinop(Instruction::Sub, Constant::getNullValue(Ty), Prod);
765     } else {
766       // A simple mul.
767       Value *W = expandCodeFor(Op, Ty);
768       Prod = InsertNoopCastOfTo(Prod, Ty);
769       // Canonicalize a constant to the RHS.
770       if (isa<Constant>(Prod)) std::swap(Prod, W);
771       const APInt *RHS;
772       if (match(W, m_Power2(RHS))) {
773         // Canonicalize Prod*(1<<C) to Prod<<C.
774         assert(!Ty->isVectorTy() && "vector types are not SCEVable");
775         Prod = InsertBinop(Instruction::Shl, Prod,
776                            ConstantInt::get(Ty, RHS->logBase2()));
777       } else {
778         Prod = InsertBinop(Instruction::Mul, Prod, W);
779       }
780     }
781   }
782
783   return Prod;
784 }
785
786 Value *SCEVExpander::visitUDivExpr(const SCEVUDivExpr *S) {
787   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
788
789   Value *LHS = expandCodeFor(S->getLHS(), Ty);
790   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(S->getRHS())) {
791     const APInt &RHS = SC->getValue()->getValue();
792     if (RHS.isPowerOf2())
793       return InsertBinop(Instruction::LShr, LHS,
794                          ConstantInt::get(Ty, RHS.logBase2()));
795   }
796
797   Value *RHS = expandCodeFor(S->getRHS(), Ty);
798   return InsertBinop(Instruction::UDiv, LHS, RHS);
799 }
800
801 /// Move parts of Base into Rest to leave Base with the minimal
802 /// expression that provides a pointer operand suitable for a
803 /// GEP expansion.
804 static void ExposePointerBase(const SCEV *&Base, const SCEV *&Rest,
805                               ScalarEvolution &SE) {
806   while (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base)) {
807     Base = A->getStart();
808     Rest = SE.getAddExpr(Rest,
809                          SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(A->getType(), 0),
810                                           A->getStepRecurrence(SE),
811                                           A->getLoop(),
812                                           A->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
813   }
814   if (const SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Base)) {
815     Base = A->getOperand(A->getNumOperands()-1);
816     SmallVector<const SCEV *, 8> NewAddOps(A->op_begin(), A->op_end());
817     NewAddOps.back() = Rest;
818     Rest = SE.getAddExpr(NewAddOps);
819     ExposePointerBase(Base, Rest, SE);
820   }
821 }
822
823 /// Determine if this is a well-behaved chain of instructions leading back to
824 /// the PHI. If so, it may be reused by expanded expressions.
825 bool SCEVExpander::isNormalAddRecExprPHI(PHINode *PN, Instruction *IncV,
826                                          const Loop *L) {
827   if (IncV->getNumOperands() == 0 || isa<PHINode>(IncV) ||
828       (isa<CastInst>(IncV) && !isa<BitCastInst>(IncV)))
829     return false;
830   // If any of the operands don't dominate the insert position, bail.
831   // Addrec operands are always loop-invariant, so this can only happen
832   // if there are instructions which haven't been hoisted.
833   if (L == IVIncInsertLoop) {
834     for (User::op_iterator OI = IncV->op_begin()+1,
835            OE = IncV->op_end(); OI != OE; ++OI)
836       if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(OI))
837         if (!SE.DT->dominates(OInst, IVIncInsertPos))
838           return false;
839   }
840   // Advance to the next instruction.
841   IncV = dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
842   if (!IncV)
843     return false;
844
845   if (IncV->mayHaveSideEffects())
846     return false;
847
848   if (IncV != PN)
849     return true;
850
851   return isNormalAddRecExprPHI(PN, IncV, L);
852 }
853
854 /// getIVIncOperand returns an induction variable increment's induction
855 /// variable operand.
856 ///
857 /// If allowScale is set, any type of GEP is allowed as long as the nonIV
858 /// operands dominate InsertPos.
859 ///
860 /// If allowScale is not set, ensure that a GEP increment conforms to one of the
861 /// simple patterns generated by getAddRecExprPHILiterally and
862 /// expandAddtoGEP. If the pattern isn't recognized, return NULL.
863 Instruction *SCEVExpander::getIVIncOperand(Instruction *IncV,
864                                            Instruction *InsertPos,
865                                            bool allowScale) {
866   if (IncV == InsertPos)
867     return nullptr;
868
869   switch (IncV->getOpcode()) {
870   default:
871     return nullptr;
872   // Check for a simple Add/Sub or GEP of a loop invariant step.
873   case Instruction::Add:
874   case Instruction::Sub: {
875     Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(1));
876     if (!OInst || SE.DT->dominates(OInst, InsertPos))
877       return dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
878     return nullptr;
879   }
880   case Instruction::BitCast:
881     return dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
882   case Instruction::GetElementPtr:
883     for (Instruction::op_iterator I = IncV->op_begin()+1, E = IncV->op_end();
884          I != E; ++I) {
885       if (isa<Constant>(*I))
886         continue;
887       if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(*I)) {
888         if (!SE.DT->dominates(OInst, InsertPos))
889           return nullptr;
890       }
891       if (allowScale) {
892         // allow any kind of GEP as long as it can be hoisted.
893         continue;
894       }
895       // This must be a pointer addition of constants (pretty), which is already
896       // handled, or some number of address-size elements (ugly). Ugly geps
897       // have 2 operands. i1* is used by the expander to represent an
898       // address-size element.
899       if (IncV->getNumOperands() != 2)
900         return nullptr;
901       unsigned AS = cast<PointerType>(IncV->getType())->getAddressSpace();
902       if (IncV->getType() != Type::getInt1PtrTy(SE.getContext(), AS)
903           && IncV->getType() != Type::getInt8PtrTy(SE.getContext(), AS))
904         return nullptr;
905       break;
906     }
907     return dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
908   }
909 }
910
911 /// hoistStep - Attempt to hoist a simple IV increment above InsertPos to make
912 /// it available to other uses in this loop. Recursively hoist any operands,
913 /// until we reach a value that dominates InsertPos.
914 bool SCEVExpander::hoistIVInc(Instruction *IncV, Instruction *InsertPos) {
915   if (SE.DT->dominates(IncV, InsertPos))
916       return true;
917
918   // InsertPos must itself dominate IncV so that IncV's new position satisfies
919   // its existing users.
920   if (isa<PHINode>(InsertPos)
921       || !SE.DT->dominates(InsertPos->getParent(), IncV->getParent()))
922     return false;
923
924   // Check that the chain of IV operands leading back to Phi can be hoisted.
925   SmallVector<Instruction*, 4> IVIncs;
926   for(;;) {
927     Instruction *Oper = getIVIncOperand(IncV, InsertPos, /*allowScale*/true);
928     if (!Oper)
929       return false;
930     // IncV is safe to hoist.
931     IVIncs.push_back(IncV);
932     IncV = Oper;
933     if (SE.DT->dominates(IncV, InsertPos))
934       break;
935   }
936   for (SmallVectorImpl<Instruction*>::reverse_iterator I = IVIncs.rbegin(),
937          E = IVIncs.rend(); I != E; ++I) {
938     (*I)->moveBefore(InsertPos);
939   }
940   return true;
941 }
942
943 /// Determine if this cyclic phi is in a form that would have been generated by
944 /// LSR. We don't care if the phi was actually expanded in this pass, as long
945 /// as it is in a low-cost form, for example, no implied multiplication. This
946 /// should match any patterns generated by getAddRecExprPHILiterally and
947 /// expandAddtoGEP.
948 bool SCEVExpander::isExpandedAddRecExprPHI(PHINode *PN, Instruction *IncV,
949                                            const Loop *L) {
950   for(Instruction *IVOper = IncV;
951       (IVOper = getIVIncOperand(IVOper, L->getLoopPreheader()->getTerminator(),
952                                 /*allowScale=*/false));) {
953     if (IVOper == PN)
954       return true;
955   }
956   return false;
957 }
958
959 /// expandIVInc - Expand an IV increment at Builder's current InsertPos.
960 /// Typically this is the LatchBlock terminator or IVIncInsertPos, but we may
961 /// need to materialize IV increments elsewhere to handle difficult situations.
962 Value *SCEVExpander::expandIVInc(PHINode *PN, Value *StepV, const Loop *L,
963                                  Type *ExpandTy, Type *IntTy,
964                                  bool useSubtract) {
965   Value *IncV;
966   // If the PHI is a pointer, use a GEP, otherwise use an add or sub.
967   if (ExpandTy->isPointerTy()) {
968     PointerType *GEPPtrTy = cast<PointerType>(ExpandTy);
969     // If the step isn't constant, don't use an implicitly scaled GEP, because
970     // that would require a multiply inside the loop.
971     if (!isa<ConstantInt>(StepV))
972       GEPPtrTy = PointerType::get(Type::getInt1Ty(SE.getContext()),
973                                   GEPPtrTy->getAddressSpace());
974     const SCEV *const StepArray[1] = { SE.getSCEV(StepV) };
975     IncV = expandAddToGEP(StepArray, StepArray+1, GEPPtrTy, IntTy, PN);
976     if (IncV->getType() != PN->getType()) {
977       IncV = Builder.CreateBitCast(IncV, PN->getType());
978       rememberInstruction(IncV);
979     }
980   } else {
981     IncV = useSubtract ?
982       Builder.CreateSub(PN, StepV, Twine(IVName) + ".iv.next") :
983       Builder.CreateAdd(PN, StepV, Twine(IVName) + ".iv.next");
984     rememberInstruction(IncV);
985   }
986   return IncV;
987 }
988
989 /// \brief Hoist the addrec instruction chain rooted in the loop phi above the
990 /// position. This routine assumes that this is possible (has been checked).
991 static void hoistBeforePos(DominatorTree *DT, Instruction *InstToHoist,
992                            Instruction *Pos, PHINode *LoopPhi) {
993   do {
994     if (DT->dominates(InstToHoist, Pos))
995       break;
996     // Make sure the increment is where we want it. But don't move it
997     // down past a potential existing post-inc user.
998     InstToHoist->moveBefore(Pos);
999     Pos = InstToHoist;
1000     InstToHoist = cast<Instruction>(InstToHoist->getOperand(0));
1001   } while (InstToHoist != LoopPhi);
1002 }
1003
1004 /// \brief Check whether we can cheaply express the requested SCEV in terms of
1005 /// the available PHI SCEV by truncation and/or inversion of the step.
1006 static bool canBeCheaplyTransformed(ScalarEvolution &SE,
1007                                     const SCEVAddRecExpr *Phi,
1008                                     const SCEVAddRecExpr *Requested,
1009                                     bool &InvertStep) {
1010   Type *PhiTy = SE.getEffectiveSCEVType(Phi->getType());
1011   Type *RequestedTy = SE.getEffectiveSCEVType(Requested->getType());
1012
1013   if (RequestedTy->getIntegerBitWidth() > PhiTy->getIntegerBitWidth())
1014     return false;
1015
1016   // Try truncate it if necessary.
1017   Phi = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getTruncateOrNoop(Phi, RequestedTy));
1018   if (!Phi)
1019     return false;
1020
1021   // Check whether truncation will help.
1022   if (Phi == Requested) {
1023     InvertStep = false;
1024     return true;
1025   }
1026
1027   // Check whether inverting will help: {R,+,-1} == R - {0,+,1}.
1028   if (SE.getAddExpr(Requested->getStart(),
1029                     SE.getNegativeSCEV(Requested)) == Phi) {
1030     InvertStep = true;
1031     return true;
1032   }
1033
1034   return false;
1035 }
1036
1037 static bool IsIncrementNSW(ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *AR) {
1038   if (!isa<IntegerType>(AR->getType()))
1039     return false;
1040
1041   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(AR->getType())->getBitWidth();
1042   Type *WideTy = IntegerType::get(AR->getType()->getContext(), BitWidth * 2);
1043   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(SE);
1044   const SCEV *OpAfterExtend = SE.getAddExpr(SE.getSignExtendExpr(Step, WideTy),
1045                                             SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
1046   const SCEV *ExtendAfterOp =
1047     SE.getSignExtendExpr(SE.getAddExpr(AR, Step), WideTy);
1048   return ExtendAfterOp == OpAfterExtend;
1049 }
1050
1051 static bool IsIncrementNUW(ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *AR) {
1052   if (!isa<IntegerType>(AR->getType()))
1053     return false;
1054
1055   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(AR->getType())->getBitWidth();
1056   Type *WideTy = IntegerType::get(AR->getType()->getContext(), BitWidth * 2);
1057   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(SE);
1058   const SCEV *OpAfterExtend = SE.getAddExpr(SE.getZeroExtendExpr(Step, WideTy),
1059                                             SE.getZeroExtendExpr(AR, WideTy));
1060   const SCEV *ExtendAfterOp =
1061     SE.getZeroExtendExpr(SE.getAddExpr(AR, Step), WideTy);
1062   return ExtendAfterOp == OpAfterExtend;
1063 }
1064
1065 /// getAddRecExprPHILiterally - Helper for expandAddRecExprLiterally. Expand
1066 /// the base addrec, which is the addrec without any non-loop-dominating
1067 /// values, and return the PHI.
1068 PHINode *
1069 SCEVExpander::getAddRecExprPHILiterally(const SCEVAddRecExpr *Normalized,
1070                                         const Loop *L,
1071                                         Type *ExpandTy,
1072                                         Type *IntTy,
1073                                         Type *&TruncTy,
1074                                         bool &InvertStep) {
1075   assert((!IVIncInsertLoop||IVIncInsertPos) && "Uninitialized insert position");
1076
1077   // Reuse a previously-inserted PHI, if present.
1078   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1079   if (LatchBlock) {
1080     PHINode *AddRecPhiMatch = nullptr;
1081     Instruction *IncV = nullptr;
1082     TruncTy = nullptr;
1083     InvertStep = false;
1084
1085     // Only try partially matching scevs that need truncation and/or
1086     // step-inversion if we know this loop is outside the current loop.
1087     bool TryNonMatchingSCEV = IVIncInsertLoop &&
1088       SE.DT->properlyDominates(LatchBlock, IVIncInsertLoop->getHeader());
1089
1090     for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1091          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
1092       if (!SE.isSCEVable(PN->getType()))
1093         continue;
1094
1095       const SCEVAddRecExpr *PhiSCEV = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(PN));
1096       if (!PhiSCEV)
1097         continue;
1098
1099       bool IsMatchingSCEV = PhiSCEV == Normalized;
1100       // We only handle truncation and inversion of phi recurrences for the
1101       // expanded expression if the expanded expression's loop dominates the
1102       // loop we insert to. Check now, so we can bail out early.
1103       if (!IsMatchingSCEV && !TryNonMatchingSCEV)
1104           continue;
1105
1106       Instruction *TempIncV =
1107           cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1108
1109       // Check whether we can reuse this PHI node.
1110       if (LSRMode) {
1111         if (!isExpandedAddRecExprPHI(PN, TempIncV, L))
1112           continue;
1113         if (L == IVIncInsertLoop && !hoistIVInc(TempIncV, IVIncInsertPos))
1114           continue;
1115       } else {
1116         if (!isNormalAddRecExprPHI(PN, TempIncV, L))
1117           continue;
1118       }
1119
1120       // Stop if we have found an exact match SCEV.
1121       if (IsMatchingSCEV) {
1122         IncV = TempIncV;
1123         TruncTy = nullptr;
1124         InvertStep = false;
1125         AddRecPhiMatch = PN;
1126         break;
1127       }
1128
1129       // Try whether the phi can be translated into the requested form
1130       // (truncated and/or offset by a constant).
1131       if ((!TruncTy || InvertStep) &&
1132           canBeCheaplyTransformed(SE, PhiSCEV, Normalized, InvertStep)) {
1133         // Record the phi node. But don't stop we might find an exact match
1134         // later.
1135         AddRecPhiMatch = PN;
1136         IncV = TempIncV;
1137         TruncTy = SE.getEffectiveSCEVType(Normalized->getType());
1138       }
1139     }
1140
1141     if (AddRecPhiMatch) {
1142       // Potentially, move the increment. We have made sure in
1143       // isExpandedAddRecExprPHI or hoistIVInc that this is possible.
1144       if (L == IVIncInsertLoop)
1145         hoistBeforePos(SE.DT, IncV, IVIncInsertPos, AddRecPhiMatch);
1146
1147       // Ok, the add recurrence looks usable.
1148       // Remember this PHI, even in post-inc mode.
1149       InsertedValues.insert(AddRecPhiMatch);
1150       // Remember the increment.
1151       rememberInstruction(IncV);
1152       return AddRecPhiMatch;
1153     }
1154   }
1155
1156   // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
1157   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1158
1159   // Another AddRec may need to be recursively expanded below. For example, if
1160   // this AddRec is quadratic, the StepV may itself be an AddRec in this
1161   // loop. Remove this loop from the PostIncLoops set before expanding such
1162   // AddRecs. Otherwise, we cannot find a valid position for the step
1163   // (i.e. StepV can never dominate its loop header).  Ideally, we could do
1164   // SavedIncLoops.swap(PostIncLoops), but we generally have a single element,
1165   // so it's not worth implementing SmallPtrSet::swap.
1166   PostIncLoopSet SavedPostIncLoops = PostIncLoops;
1167   PostIncLoops.clear();
1168
1169   // Expand code for the start value.
1170   Value *StartV = expandCodeFor(Normalized->getStart(), ExpandTy,
1171                                 L->getHeader()->begin());
1172
1173   // StartV must be hoisted into L's preheader to dominate the new phi.
1174   assert(!isa<Instruction>(StartV) ||
1175          SE.DT->properlyDominates(cast<Instruction>(StartV)->getParent(),
1176                                   L->getHeader()));
1177
1178   // Expand code for the step value. Do this before creating the PHI so that PHI
1179   // reuse code doesn't see an incomplete PHI.
1180   const SCEV *Step = Normalized->getStepRecurrence(SE);
1181   // If the stride is negative, insert a sub instead of an add for the increment
1182   // (unless it's a constant, because subtracts of constants are canonicalized
1183   // to adds).
1184   bool useSubtract = !ExpandTy->isPointerTy() && Step->isNonConstantNegative();
1185   if (useSubtract)
1186     Step = SE.getNegativeSCEV(Step);
1187   // Expand the step somewhere that dominates the loop header.
1188   Value *StepV = expandCodeFor(Step, IntTy, L->getHeader()->begin());
1189
1190   // The no-wrap behavior proved by IsIncrement(NUW|NSW) is only applicable if
1191   // we actually do emit an addition.  It does not apply if we emit a
1192   // subtraction.
1193   bool IncrementIsNUW = !useSubtract && IsIncrementNUW(SE, Normalized);
1194   bool IncrementIsNSW = !useSubtract && IsIncrementNSW(SE, Normalized);
1195
1196   // Create the PHI.
1197   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1198   Builder.SetInsertPoint(Header, Header->begin());
1199   pred_iterator HPB = pred_begin(Header), HPE = pred_end(Header);
1200   PHINode *PN = Builder.CreatePHI(ExpandTy, std::distance(HPB, HPE),
1201                                   Twine(IVName) + ".iv");
1202   rememberInstruction(PN);
1203
1204   // Create the step instructions and populate the PHI.
1205   for (pred_iterator HPI = HPB; HPI != HPE; ++HPI) {
1206     BasicBlock *Pred = *HPI;
1207
1208     // Add a start value.
1209     if (!L->contains(Pred)) {
1210       PN->addIncoming(StartV, Pred);
1211       continue;
1212     }
1213
1214     // Create a step value and add it to the PHI.
1215     // If IVIncInsertLoop is non-null and equal to the addrec's loop, insert the
1216     // instructions at IVIncInsertPos.
1217     Instruction *InsertPos = L == IVIncInsertLoop ?
1218       IVIncInsertPos : Pred->getTerminator();
1219     Builder.SetInsertPoint(InsertPos);
1220     Value *IncV = expandIVInc(PN, StepV, L, ExpandTy, IntTy, useSubtract);
1221
1222     if (isa<OverflowingBinaryOperator>(IncV)) {
1223       if (IncrementIsNUW)
1224         cast<BinaryOperator>(IncV)->setHasNoUnsignedWrap();
1225       if (IncrementIsNSW)
1226         cast<BinaryOperator>(IncV)->setHasNoSignedWrap();
1227     }
1228     PN->addIncoming(IncV, Pred);
1229   }
1230
1231   // After expanding subexpressions, restore the PostIncLoops set so the caller
1232   // can ensure that IVIncrement dominates the current uses.
1233   PostIncLoops = SavedPostIncLoops;
1234
1235   // Remember this PHI, even in post-inc mode.
1236   InsertedValues.insert(PN);
1237
1238   return PN;
1239 }
1240
1241 Value *SCEVExpander::expandAddRecExprLiterally(const SCEVAddRecExpr *S) {
1242   Type *STy = S->getType();
1243   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(STy);
1244   const Loop *L = S->getLoop();
1245
1246   // Determine a normalized form of this expression, which is the expression
1247   // before any post-inc adjustment is made.
1248   const SCEVAddRecExpr *Normalized = S;
1249   if (PostIncLoops.count(L)) {
1250     PostIncLoopSet Loops;
1251     Loops.insert(L);
1252     Normalized =
1253       cast<SCEVAddRecExpr>(TransformForPostIncUse(Normalize, S, nullptr,
1254                                                   nullptr, Loops, SE, *SE.DT));
1255   }
1256
1257   // Strip off any non-loop-dominating component from the addrec start.
1258   const SCEV *Start = Normalized->getStart();
1259   const SCEV *PostLoopOffset = nullptr;
1260   if (!SE.properlyDominates(Start, L->getHeader())) {
1261     PostLoopOffset = Start;
1262     Start = SE.getConstant(Normalized->getType(), 0);
1263     Normalized = cast<SCEVAddRecExpr>(
1264       SE.getAddRecExpr(Start, Normalized->getStepRecurrence(SE),
1265                        Normalized->getLoop(),
1266                        Normalized->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
1267   }
1268
1269   // Strip off any non-loop-dominating component from the addrec step.
1270   const SCEV *Step = Normalized->getStepRecurrence(SE);
1271   const SCEV *PostLoopScale = nullptr;
1272   if (!SE.dominates(Step, L->getHeader())) {
1273     PostLoopScale = Step;
1274     Step = SE.getConstant(Normalized->getType(), 1);
1275     Normalized =
1276       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getAddRecExpr(
1277                              Start, Step, Normalized->getLoop(),
1278                              Normalized->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
1279   }
1280
1281   // Expand the core addrec. If we need post-loop scaling, force it to
1282   // expand to an integer type to avoid the need for additional casting.
1283   Type *ExpandTy = PostLoopScale ? IntTy : STy;
1284   // In some cases, we decide to reuse an existing phi node but need to truncate
1285   // it and/or invert the step.
1286   Type *TruncTy = nullptr;
1287   bool InvertStep = false;
1288   PHINode *PN = getAddRecExprPHILiterally(Normalized, L, ExpandTy, IntTy,
1289                                           TruncTy, InvertStep);
1290
1291   // Accommodate post-inc mode, if necessary.
1292   Value *Result;
1293   if (!PostIncLoops.count(L))
1294     Result = PN;
1295   else {
1296     // In PostInc mode, use the post-incremented value.
1297     BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1298     assert(LatchBlock && "PostInc mode requires a unique loop latch!");
1299     Result = PN->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
1300
1301     // For an expansion to use the postinc form, the client must call
1302     // expandCodeFor with an InsertPoint that is either outside the PostIncLoop
1303     // or dominated by IVIncInsertPos.
1304     if (isa<Instruction>(Result)
1305         && !SE.DT->dominates(cast<Instruction>(Result),
1306                              Builder.GetInsertPoint())) {
1307       // The induction variable's postinc expansion does not dominate this use.
1308       // IVUsers tries to prevent this case, so it is rare. However, it can
1309       // happen when an IVUser outside the loop is not dominated by the latch
1310       // block. Adjusting IVIncInsertPos before expansion begins cannot handle
1311       // all cases. Consider a phi outide whose operand is replaced during
1312       // expansion with the value of the postinc user. Without fundamentally
1313       // changing the way postinc users are tracked, the only remedy is
1314       // inserting an extra IV increment. StepV might fold into PostLoopOffset,
1315       // but hopefully expandCodeFor handles that.
1316       bool useSubtract =
1317         !ExpandTy->isPointerTy() && Step->isNonConstantNegative();
1318       if (useSubtract)
1319         Step = SE.getNegativeSCEV(Step);
1320       Value *StepV;
1321       {
1322         // Expand the step somewhere that dominates the loop header.
1323         BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1324         StepV = expandCodeFor(Step, IntTy, L->getHeader()->begin());
1325       }
1326       Result = expandIVInc(PN, StepV, L, ExpandTy, IntTy, useSubtract);
1327     }
1328   }
1329
1330   // We have decided to reuse an induction variable of a dominating loop. Apply
1331   // truncation and/or invertion of the step.
1332   if (TruncTy) {
1333     Type *ResTy = Result->getType();
1334     // Normalize the result type.
1335     if (ResTy != SE.getEffectiveSCEVType(ResTy))
1336       Result = InsertNoopCastOfTo(Result, SE.getEffectiveSCEVType(ResTy));
1337     // Truncate the result.
1338     if (TruncTy != Result->getType()) {
1339       Result = Builder.CreateTrunc(Result, TruncTy);
1340       rememberInstruction(Result);
1341     }
1342     // Invert the result.
1343     if (InvertStep) {
1344       Result = Builder.CreateSub(expandCodeFor(Normalized->getStart(), TruncTy),
1345                                  Result);
1346       rememberInstruction(Result);
1347     }
1348   }
1349
1350   // Re-apply any non-loop-dominating scale.
1351   if (PostLoopScale) {
1352     assert(S->isAffine() && "Can't linearly scale non-affine recurrences.");
1353     Result = InsertNoopCastOfTo(Result, IntTy);
1354     Result = Builder.CreateMul(Result,
1355                                expandCodeFor(PostLoopScale, IntTy));
1356     rememberInstruction(Result);
1357   }
1358
1359   // Re-apply any non-loop-dominating offset.
1360   if (PostLoopOffset) {
1361     if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(ExpandTy)) {
1362       const SCEV *const OffsetArray[1] = { PostLoopOffset };
1363       Result = expandAddToGEP(OffsetArray, OffsetArray+1, PTy, IntTy, Result);
1364     } else {
1365       Result = InsertNoopCastOfTo(Result, IntTy);
1366       Result = Builder.CreateAdd(Result,
1367                                  expandCodeFor(PostLoopOffset, IntTy));
1368       rememberInstruction(Result);
1369     }
1370   }
1371
1372   return Result;
1373 }
1374
1375 Value *SCEVExpander::visitAddRecExpr(const SCEVAddRecExpr *S) {
1376   if (!CanonicalMode) return expandAddRecExprLiterally(S);
1377
1378   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1379   const Loop *L = S->getLoop();
1380
1381   // First check for an existing canonical IV in a suitable type.
1382   PHINode *CanonicalIV = nullptr;
1383   if (PHINode *PN = L->getCanonicalInductionVariable())
1384     if (SE.getTypeSizeInBits(PN->getType()) >= SE.getTypeSizeInBits(Ty))
1385       CanonicalIV = PN;
1386
1387   // Rewrite an AddRec in terms of the canonical induction variable, if
1388   // its type is more narrow.
1389   if (CanonicalIV &&
1390       SE.getTypeSizeInBits(CanonicalIV->getType()) >
1391       SE.getTypeSizeInBits(Ty)) {
1392     SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps(S->getNumOperands());
1393     for (unsigned i = 0, e = S->getNumOperands(); i != e; ++i)
1394       NewOps[i] = SE.getAnyExtendExpr(S->op_begin()[i], CanonicalIV->getType());
1395     Value *V = expand(SE.getAddRecExpr(NewOps, S->getLoop(),
1396                                        S->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
1397     BasicBlock::iterator NewInsertPt =
1398       std::next(BasicBlock::iterator(cast<Instruction>(V)));
1399     BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1400     while (isa<PHINode>(NewInsertPt) || isa<DbgInfoIntrinsic>(NewInsertPt) ||
1401            isa<LandingPadInst>(NewInsertPt))
1402       ++NewInsertPt;
1403     V = expandCodeFor(SE.getTruncateExpr(SE.getUnknown(V), Ty), nullptr,
1404                       NewInsertPt);
1405     return V;
1406   }
1407
1408   // {X,+,F} --> X + {0,+,F}
1409   if (!S->getStart()->isZero()) {
1410     SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps(S->op_begin(), S->op_end());
1411     NewOps[0] = SE.getConstant(Ty, 0);
1412     const SCEV *Rest = SE.getAddRecExpr(NewOps, L,
1413                                         S->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW));
1414
1415     // Turn things like ptrtoint+arithmetic+inttoptr into GEP. See the
1416     // comments on expandAddToGEP for details.
1417     const SCEV *Base = S->getStart();
1418     const SCEV *RestArray[1] = { Rest };
1419     // Dig into the expression to find the pointer base for a GEP.
1420     ExposePointerBase(Base, RestArray[0], SE);
1421     // If we found a pointer, expand the AddRec with a GEP.
1422     if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(Base->getType())) {
1423       // Make sure the Base isn't something exotic, such as a multiplied
1424       // or divided pointer value. In those cases, the result type isn't
1425       // actually a pointer type.
1426       if (!isa<SCEVMulExpr>(Base) && !isa<SCEVUDivExpr>(Base)) {
1427         Value *StartV = expand(Base);
1428         assert(StartV->getType() == PTy && "Pointer type mismatch for GEP!");
1429         return expandAddToGEP(RestArray, RestArray+1, PTy, Ty, StartV);
1430       }
1431     }
1432
1433     // Just do a normal add. Pre-expand the operands to suppress folding.
1434     return expand(SE.getAddExpr(SE.getUnknown(expand(S->getStart())),
1435                                 SE.getUnknown(expand(Rest))));
1436   }
1437
1438   // If we don't yet have a canonical IV, create one.
1439   if (!CanonicalIV) {
1440     // Create and insert the PHI node for the induction variable in the
1441     // specified loop.
1442     BasicBlock *Header = L->getHeader();
1443     pred_iterator HPB = pred_begin(Header), HPE = pred_end(Header);
1444     CanonicalIV = PHINode::Create(Ty, std::distance(HPB, HPE), "indvar",
1445                                   Header->begin());
1446     rememberInstruction(CanonicalIV);
1447
1448     SmallSet<BasicBlock *, 4> PredSeen;
1449     Constant *One = ConstantInt::get(Ty, 1);
1450     for (pred_iterator HPI = HPB; HPI != HPE; ++HPI) {
1451       BasicBlock *HP = *HPI;
1452       if (!PredSeen.insert(HP).second) {
1453         // There must be an incoming value for each predecessor, even the
1454         // duplicates!
1455         CanonicalIV->addIncoming(CanonicalIV->getIncomingValueForBlock(HP), HP);
1456         continue;
1457       }
1458
1459       if (L->contains(HP)) {
1460         // Insert a unit add instruction right before the terminator
1461         // corresponding to the back-edge.
1462         Instruction *Add = BinaryOperator::CreateAdd(CanonicalIV, One,
1463                                                      "indvar.next",
1464                                                      HP->getTerminator());
1465         Add->setDebugLoc(HP->getTerminator()->getDebugLoc());
1466         rememberInstruction(Add);
1467         CanonicalIV->addIncoming(Add, HP);
1468       } else {
1469         CanonicalIV->addIncoming(Constant::getNullValue(Ty), HP);
1470       }
1471     }
1472   }
1473
1474   // {0,+,1} --> Insert a canonical induction variable into the loop!
1475   if (S->isAffine() && S->getOperand(1)->isOne()) {
1476     assert(Ty == SE.getEffectiveSCEVType(CanonicalIV->getType()) &&
1477            "IVs with types different from the canonical IV should "
1478            "already have been handled!");
1479     return CanonicalIV;
1480   }
1481
1482   // {0,+,F} --> {0,+,1} * F
1483
1484   // If this is a simple linear addrec, emit it now as a special case.
1485   if (S->isAffine())    // {0,+,F} --> i*F
1486     return
1487       expand(SE.getTruncateOrNoop(
1488         SE.getMulExpr(SE.getUnknown(CanonicalIV),
1489                       SE.getNoopOrAnyExtend(S->getOperand(1),
1490                                             CanonicalIV->getType())),
1491         Ty));
1492
1493   // If this is a chain of recurrences, turn it into a closed form, using the
1494   // folders, then expandCodeFor the closed form.  This allows the folders to
1495   // simplify the expression without having to build a bunch of special code
1496   // into this folder.
1497   const SCEV *IH = SE.getUnknown(CanonicalIV);   // Get I as a "symbolic" SCEV.
1498
1499   // Promote S up to the canonical IV type, if the cast is foldable.
1500   const SCEV *NewS = S;
1501   const SCEV *Ext = SE.getNoopOrAnyExtend(S, CanonicalIV->getType());
1502   if (isa<SCEVAddRecExpr>(Ext))
1503     NewS = Ext;
1504
1505   const SCEV *V = cast<SCEVAddRecExpr>(NewS)->evaluateAtIteration(IH, SE);
1506   //cerr << "Evaluated: " << *this << "\n     to: " << *V << "\n";
1507
1508   // Truncate the result down to the original type, if needed.
1509   const SCEV *T = SE.getTruncateOrNoop(V, Ty);
1510   return expand(T);
1511 }
1512
1513 Value *SCEVExpander::visitTruncateExpr(const SCEVTruncateExpr *S) {
1514   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1515   Value *V = expandCodeFor(S->getOperand(),
1516                            SE.getEffectiveSCEVType(S->getOperand()->getType()));
1517   Value *I = Builder.CreateTrunc(V, Ty);
1518   rememberInstruction(I);
1519   return I;
1520 }
1521
1522 Value *SCEVExpander::visitZeroExtendExpr(const SCEVZeroExtendExpr *S) {
1523   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1524   Value *V = expandCodeFor(S->getOperand(),
1525                            SE.getEffectiveSCEVType(S->getOperand()->getType()));
1526   Value *I = Builder.CreateZExt(V, Ty);
1527   rememberInstruction(I);
1528   return I;
1529 }
1530
1531 Value *SCEVExpander::visitSignExtendExpr(const SCEVSignExtendExpr *S) {
1532   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1533   Value *V = expandCodeFor(S->getOperand(),
1534                            SE.getEffectiveSCEVType(S->getOperand()->getType()));
1535   Value *I = Builder.CreateSExt(V, Ty);
1536   rememberInstruction(I);
1537   return I;
1538 }
1539
1540 Value *SCEVExpander::visitSMaxExpr(const SCEVSMaxExpr *S) {
1541   Value *LHS = expand(S->getOperand(S->getNumOperands()-1));
1542   Type *Ty = LHS->getType();
1543   for (int i = S->getNumOperands()-2; i >= 0; --i) {
1544     // In the case of mixed integer and pointer types, do the
1545     // rest of the comparisons as integer.
1546     if (S->getOperand(i)->getType() != Ty) {
1547       Ty = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
1548       LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, Ty);
1549     }
1550     Value *RHS = expandCodeFor(S->getOperand(i), Ty);
1551     Value *ICmp = Builder.CreateICmpSGT(LHS, RHS);
1552     rememberInstruction(ICmp);
1553     Value *Sel = Builder.CreateSelect(ICmp, LHS, RHS, "smax");
1554     rememberInstruction(Sel);
1555     LHS = Sel;
1556   }
1557   // In the case of mixed integer and pointer types, cast the
1558   // final result back to the pointer type.
1559   if (LHS->getType() != S->getType())
1560     LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, S->getType());
1561   return LHS;
1562 }
1563
1564 Value *SCEVExpander::visitUMaxExpr(const SCEVUMaxExpr *S) {
1565   Value *LHS = expand(S->getOperand(S->getNumOperands()-1));
1566   Type *Ty = LHS->getType();
1567   for (int i = S->getNumOperands()-2; i >= 0; --i) {
1568     // In the case of mixed integer and pointer types, do the
1569     // rest of the comparisons as integer.
1570     if (S->getOperand(i)->getType() != Ty) {
1571       Ty = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
1572       LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, Ty);
1573     }
1574     Value *RHS = expandCodeFor(S->getOperand(i), Ty);
1575     Value *ICmp = Builder.CreateICmpUGT(LHS, RHS);
1576     rememberInstruction(ICmp);
1577     Value *Sel = Builder.CreateSelect(ICmp, LHS, RHS, "umax");
1578     rememberInstruction(Sel);
1579     LHS = Sel;
1580   }
1581   // In the case of mixed integer and pointer types, cast the
1582   // final result back to the pointer type.
1583   if (LHS->getType() != S->getType())
1584     LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, S->getType());
1585   return LHS;
1586 }
1587
1588 Value *SCEVExpander::expandCodeFor(const SCEV *SH, Type *Ty,
1589                                    Instruction *IP) {
1590   Builder.SetInsertPoint(IP->getParent(), IP);
1591   return expandCodeFor(SH, Ty);
1592 }
1593
1594 Value *SCEVExpander::expandCodeFor(const SCEV *SH, Type *Ty) {
1595   // Expand the code for this SCEV.
1596   Value *V = expand(SH);
1597   if (Ty) {
1598     assert(SE.getTypeSizeInBits(Ty) == SE.getTypeSizeInBits(SH->getType()) &&
1599            "non-trivial casts should be done with the SCEVs directly!");
1600     V = InsertNoopCastOfTo(V, Ty);
1601   }
1602   return V;
1603 }
1604
1605 Value *SCEVExpander::expand(const SCEV *S) {
1606   // Compute an insertion point for this SCEV object. Hoist the instructions
1607   // as far out in the loop nest as possible.
1608   Instruction *InsertPt = Builder.GetInsertPoint();
1609   for (Loop *L = SE.LI->getLoopFor(Builder.GetInsertBlock()); ;
1610        L = L->getParentLoop())
1611     if (SE.isLoopInvariant(S, L)) {
1612       if (!L) break;
1613       if (BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader())
1614         InsertPt = Preheader->getTerminator();
1615       else {
1616         // LSR sets the insertion point for AddRec start/step values to the
1617         // block start to simplify value reuse, even though it's an invalid
1618         // position. SCEVExpander must correct for this in all cases.
1619         InsertPt = L->getHeader()->getFirstInsertionPt();
1620       }
1621     } else {
1622       // If the SCEV is computable at this level, insert it into the header
1623       // after the PHIs (and after any other instructions that we've inserted
1624       // there) so that it is guaranteed to dominate any user inside the loop.
1625       if (L && SE.hasComputableLoopEvolution(S, L) && !PostIncLoops.count(L))
1626         InsertPt = L->getHeader()->getFirstInsertionPt();
1627       while (InsertPt != Builder.GetInsertPoint()
1628              && (isInsertedInstruction(InsertPt)
1629                  || isa<DbgInfoIntrinsic>(InsertPt))) {
1630         InsertPt = std::next(BasicBlock::iterator(InsertPt));
1631       }
1632       break;
1633     }
1634
1635   // Check to see if we already expanded this here.
1636   std::map<std::pair<const SCEV *, Instruction *>, TrackingVH<Value> >::iterator
1637     I = InsertedExpressions.find(std::make_pair(S, InsertPt));
1638   if (I != InsertedExpressions.end())
1639     return I->second;
1640
1641   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1642   Builder.SetInsertPoint(InsertPt->getParent(), InsertPt);
1643
1644   // Expand the expression into instructions.
1645   Value *V = visit(S);
1646
1647   // Remember the expanded value for this SCEV at this location.
1648   //
1649   // This is independent of PostIncLoops. The mapped value simply materializes
1650   // the expression at this insertion point. If the mapped value happened to be
1651   // a postinc expansion, it could be reused by a non-postinc user, but only if
1652   // its insertion point was already at the head of the loop.
1653   InsertedExpressions[std::make_pair(S, InsertPt)] = V;
1654   return V;
1655 }
1656
1657 void SCEVExpander::rememberInstruction(Value *I) {
1658   if (!PostIncLoops.empty())
1659     InsertedPostIncValues.insert(I);
1660   else
1661     InsertedValues.insert(I);
1662 }
1663
1664 /// getOrInsertCanonicalInductionVariable - This method returns the
1665 /// canonical induction variable of the specified type for the specified
1666 /// loop (inserting one if there is none).  A canonical induction variable
1667 /// starts at zero and steps by one on each iteration.
1668 PHINode *
1669 SCEVExpander::getOrInsertCanonicalInductionVariable(const Loop *L,
1670                                                     Type *Ty) {
1671   assert(Ty->isIntegerTy() && "Can only insert integer induction variables!");
1672
1673   // Build a SCEV for {0,+,1}<L>.
1674   // Conservatively use FlagAnyWrap for now.
1675   const SCEV *H = SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(Ty, 0),
1676                                    SE.getConstant(Ty, 1), L, SCEV::FlagAnyWrap);
1677
1678   // Emit code for it.
1679   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1680   PHINode *V = cast<PHINode>(expandCodeFor(H, nullptr,
1681                                            L->getHeader()->begin()));
1682
1683   return V;
1684 }
1685
1686 /// replaceCongruentIVs - Check for congruent phis in this loop header and
1687 /// replace them with their most canonical representative. Return the number of
1688 /// phis eliminated.
1689 ///
1690 /// This does not depend on any SCEVExpander state but should be used in
1691 /// the same context that SCEVExpander is used.
1692 unsigned SCEVExpander::replaceCongruentIVs(Loop *L, const DominatorTree *DT,
1693                                            SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1694                                            const TargetTransformInfo *TTI) {
1695   // Find integer phis in order of increasing width.
1696   SmallVector<PHINode*, 8> Phis;
1697   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1698        PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
1699     Phis.push_back(Phi);
1700   }
1701   if (TTI)
1702     std::sort(Phis.begin(), Phis.end(), [](Value *LHS, Value *RHS) {
1703       // Put pointers at the back and make sure pointer < pointer = false.
1704       if (!LHS->getType()->isIntegerTy() || !RHS->getType()->isIntegerTy())
1705         return RHS->getType()->isIntegerTy() && !LHS->getType()->isIntegerTy();
1706       return RHS->getType()->getPrimitiveSizeInBits() <
1707              LHS->getType()->getPrimitiveSizeInBits();
1708     });
1709
1710   unsigned NumElim = 0;
1711   DenseMap<const SCEV *, PHINode *> ExprToIVMap;
1712   // Process phis from wide to narrow. Map wide phis to their truncation
1713   // so narrow phis can reuse them.
1714   for (SmallVectorImpl<PHINode*>::const_iterator PIter = Phis.begin(),
1715          PEnd = Phis.end(); PIter != PEnd; ++PIter) {
1716     PHINode *Phi = *PIter;
1717
1718     // Fold constant phis. They may be congruent to other constant phis and
1719     // would confuse the logic below that expects proper IVs.
1720     if (Value *V = SimplifyInstruction(Phi, DL, SE.TLI, SE.DT, SE.AC)) {
1721       Phi->replaceAllUsesWith(V);
1722       DeadInsts.emplace_back(Phi);
1723       ++NumElim;
1724       DEBUG_WITH_TYPE(DebugType, dbgs()
1725                       << "INDVARS: Eliminated constant iv: " << *Phi << '\n');
1726       continue;
1727     }
1728
1729     if (!SE.isSCEVable(Phi->getType()))
1730       continue;
1731
1732     PHINode *&OrigPhiRef = ExprToIVMap[SE.getSCEV(Phi)];
1733     if (!OrigPhiRef) {
1734       OrigPhiRef = Phi;
1735       if (Phi->getType()->isIntegerTy() && TTI
1736           && TTI->isTruncateFree(Phi->getType(), Phis.back()->getType())) {
1737         // This phi can be freely truncated to the narrowest phi type. Map the
1738         // truncated expression to it so it will be reused for narrow types.
1739         const SCEV *TruncExpr =
1740           SE.getTruncateExpr(SE.getSCEV(Phi), Phis.back()->getType());
1741         ExprToIVMap[TruncExpr] = Phi;
1742       }
1743       continue;
1744     }
1745
1746     // Replacing a pointer phi with an integer phi or vice-versa doesn't make
1747     // sense.
1748     if (OrigPhiRef->getType()->isPointerTy() != Phi->getType()->isPointerTy())
1749       continue;
1750
1751     if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1752       Instruction *OrigInc =
1753         cast<Instruction>(OrigPhiRef->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1754       Instruction *IsomorphicInc =
1755         cast<Instruction>(Phi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1756
1757       // If this phi has the same width but is more canonical, replace the
1758       // original with it. As part of the "more canonical" determination,
1759       // respect a prior decision to use an IV chain.
1760       if (OrigPhiRef->getType() == Phi->getType()
1761           && !(ChainedPhis.count(Phi)
1762                || isExpandedAddRecExprPHI(OrigPhiRef, OrigInc, L))
1763           && (ChainedPhis.count(Phi)
1764               || isExpandedAddRecExprPHI(Phi, IsomorphicInc, L))) {
1765         std::swap(OrigPhiRef, Phi);
1766         std::swap(OrigInc, IsomorphicInc);
1767       }
1768       // Replacing the congruent phi is sufficient because acyclic redundancy
1769       // elimination, CSE/GVN, should handle the rest. However, once SCEV proves
1770       // that a phi is congruent, it's often the head of an IV user cycle that
1771       // is isomorphic with the original phi. It's worth eagerly cleaning up the
1772       // common case of a single IV increment so that DeleteDeadPHIs can remove
1773       // cycles that had postinc uses.
1774       const SCEV *TruncExpr = SE.getTruncateOrNoop(SE.getSCEV(OrigInc),
1775                                                    IsomorphicInc->getType());
1776       if (OrigInc != IsomorphicInc
1777           && TruncExpr == SE.getSCEV(IsomorphicInc)
1778           && ((isa<PHINode>(OrigInc) && isa<PHINode>(IsomorphicInc))
1779               || hoistIVInc(OrigInc, IsomorphicInc))) {
1780         DEBUG_WITH_TYPE(DebugType, dbgs()
1781                         << "INDVARS: Eliminated congruent iv.inc: "
1782                         << *IsomorphicInc << '\n');
1783         Value *NewInc = OrigInc;
1784         if (OrigInc->getType() != IsomorphicInc->getType()) {
1785           Instruction *IP = nullptr;
1786           if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(OrigInc))
1787             IP = PN->getParent()->getFirstInsertionPt();
1788           else
1789             IP = OrigInc->getNextNode();
1790
1791           IRBuilder<> Builder(IP);
1792           Builder.SetCurrentDebugLocation(IsomorphicInc->getDebugLoc());
1793           NewInc = Builder.
1794             CreateTruncOrBitCast(OrigInc, IsomorphicInc->getType(), IVName);
1795         }
1796         IsomorphicInc->replaceAllUsesWith(NewInc);
1797         DeadInsts.emplace_back(IsomorphicInc);
1798       }
1799     }
1800     DEBUG_WITH_TYPE(DebugType, dbgs()
1801                     << "INDVARS: Eliminated congruent iv: " << *Phi << '\n');
1802     ++NumElim;
1803     Value *NewIV = OrigPhiRef;
1804     if (OrigPhiRef->getType() != Phi->getType()) {
1805       IRBuilder<> Builder(L->getHeader()->getFirstInsertionPt());
1806       Builder.SetCurrentDebugLocation(Phi->getDebugLoc());
1807       NewIV = Builder.CreateTruncOrBitCast(OrigPhiRef, Phi->getType(), IVName);
1808     }
1809     Phi->replaceAllUsesWith(NewIV);
1810     DeadInsts.emplace_back(Phi);
1811   }
1812   return NumElim;
1813 }
1814
1815 Value *SCEVExpander::findExistingExpansion(const SCEV *S,
1816                                            const Instruction *At, Loop *L) {
1817   using namespace llvm::PatternMatch;
1818
1819   SmallVector<BasicBlock *, 4> Latches;
1820   L->getLoopLatches(Latches);
1821
1822   // Look for suitable value in simple conditions at the loop latches.
1823   for (BasicBlock *BB : Latches) {
1824     ICmpInst::Predicate Pred;
1825     Instruction *LHS, *RHS;
1826     BasicBlock *TrueBB, *FalseBB;
1827
1828     if (!match(BB->getTerminator(),
1829                m_Br(m_ICmp(Pred, m_Instruction(LHS), m_Instruction(RHS)),
1830                     TrueBB, FalseBB)))
1831       continue;
1832
1833     if (SE.getSCEV(LHS) == S && SE.DT->dominates(LHS, At))
1834       return LHS;
1835
1836     if (SE.getSCEV(RHS) == S && SE.DT->dominates(RHS, At))
1837       return RHS;
1838   }
1839
1840   // There is potential to make this significantly smarter, but this simple
1841   // heuristic already gets some interesting cases.
1842
1843   // Can not find suitable value.
1844   return nullptr;
1845 }
1846
1847 bool SCEVExpander::isHighCostExpansionHelper(
1848     const SCEV *S, Loop *L, const Instruction *At,
1849     SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Processed) {
1850
1851   // If we can find an existing value for this scev avaliable at the point "At"
1852   // then consider the expression cheap.
1853   if (At && findExistingExpansion(S, At, L) != nullptr)
1854     return false;
1855
1856   // Zero/One operand expressions
1857   switch (S->getSCEVType()) {
1858   case scUnknown:
1859   case scConstant:
1860     return false;
1861   case scTruncate:
1862     return isHighCostExpansionHelper(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand(),
1863                                      L, At, Processed);
1864   case scZeroExtend:
1865     return isHighCostExpansionHelper(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand(),
1866                                      L, At, Processed);
1867   case scSignExtend:
1868     return isHighCostExpansionHelper(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand(),
1869                                      L, At, Processed);
1870   }
1871
1872   if (!Processed.insert(S).second)
1873     return false;
1874
1875   if (auto *UDivExpr = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
1876     // If the divisor is a power of two and the SCEV type fits in a native
1877     // integer, consider the division cheap irrespective of whether it occurs in
1878     // the user code since it can be lowered into a right shift.
1879     if (auto *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UDivExpr->getRHS()))
1880       if (SC->getValue()->getValue().isPowerOf2()) {
1881         const DataLayout &DL =
1882             L->getHeader()->getParent()->getParent()->getDataLayout();
1883         unsigned Width = cast<IntegerType>(UDivExpr->getType())->getBitWidth();
1884         return DL.isIllegalInteger(Width);
1885       }
1886
1887     // UDivExpr is very likely a UDiv that ScalarEvolution's HowFarToZero or
1888     // HowManyLessThans produced to compute a precise expression, rather than a
1889     // UDiv from the user's code. If we can't find a UDiv in the code with some
1890     // simple searching, assume the former consider UDivExpr expensive to
1891     // compute.
1892     BasicBlock *ExitingBB = L->getExitingBlock();
1893     if (!ExitingBB)
1894       return true;
1895
1896     BranchInst *ExitingBI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBB->getTerminator());
1897     if (!ExitingBI || !ExitingBI->isConditional())
1898       return true;
1899
1900     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitingBI->getCondition());
1901     if (!OrigCond)
1902       return true;
1903
1904     const SCEV *RHS = SE.getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1905     RHS = SE.getMinusSCEV(RHS, SE.getConstant(RHS->getType(), 1));
1906     if (RHS != S) {
1907       const SCEV *LHS = SE.getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1908       LHS = SE.getMinusSCEV(LHS, SE.getConstant(LHS->getType(), 1));
1909       if (LHS != S)
1910         return true;
1911     }
1912   }
1913
1914   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1915   // the exit condition.
1916   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1917     return true;
1918
1919   // Recurse past nary expressions, which commonly occur in the
1920   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1921   // they are not too expensive rematerialize.
1922   if (const SCEVNAryExpr *NAry = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S)) {
1923     for (SCEVNAryExpr::op_iterator I = NAry->op_begin(), E = NAry->op_end();
1924          I != E; ++I) {
1925       if (isHighCostExpansionHelper(*I, L, At, Processed))
1926         return true;
1927     }
1928   }
1929
1930   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1931   // expression produced by program code.
1932   return false;
1933 }
1934
1935 namespace {
1936 // Search for a SCEV subexpression that is not safe to expand.  Any expression
1937 // that may expand to a !isSafeToSpeculativelyExecute value is unsafe, namely
1938 // UDiv expressions. We don't know if the UDiv is derived from an IR divide
1939 // instruction, but the important thing is that we prove the denominator is
1940 // nonzero before expansion.
1941 //
1942 // IVUsers already checks that IV-derived expressions are safe. So this check is
1943 // only needed when the expression includes some subexpression that is not IV
1944 // derived.
1945 //
1946 // Currently, we only allow division by a nonzero constant here. If this is
1947 // inadequate, we could easily allow division by SCEVUnknown by using
1948 // ValueTracking to check isKnownNonZero().
1949 //
1950 // We cannot generally expand recurrences unless the step dominates the loop
1951 // header. The expander handles the special case of affine recurrences by
1952 // scaling the recurrence outside the loop, but this technique isn't generally
1953 // applicable. Expanding a nested recurrence outside a loop requires computing
1954 // binomial coefficients. This could be done, but the recurrence has to be in a
1955 // perfectly reduced form, which can't be guaranteed.
1956 struct SCEVFindUnsafe {
1957   ScalarEvolution &SE;
1958   bool IsUnsafe;
1959
1960   SCEVFindUnsafe(ScalarEvolution &se): SE(se), IsUnsafe(false) {}
1961
1962   bool follow(const SCEV *S) {
1963     if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
1964       const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(D->getRHS());
1965       if (!SC || SC->getValue()->isZero()) {
1966         IsUnsafe = true;
1967         return false;
1968       }
1969     }
1970     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1971       const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(SE);
1972       if (!AR->isAffine() && !SE.dominates(Step, AR->getLoop()->getHeader())) {
1973         IsUnsafe = true;
1974         return false;
1975       }
1976     }
1977     return true;
1978   }
1979   bool isDone() const { return IsUnsafe; }
1980 };
1981 }
1982
1983 namespace llvm {
1984 bool isSafeToExpand(const SCEV *S, ScalarEvolution &SE) {
1985   SCEVFindUnsafe Search(SE);
1986   visitAll(S, Search);
1987   return !Search.IsUnsafe;
1988 }
1989 }