Test commit.
[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 static BasicBlock::iterator findInsertPointAfter(Instruction *I,
90                                                  BasicBlock *MustDominate) {
91   BasicBlock::iterator IP = ++I->getIterator();
92   if (auto *II = dyn_cast<InvokeInst>(I))
93     IP = II->getNormalDest()->begin();
94   if (auto *CPI = dyn_cast<CatchPadInst>(I))
95     IP = CPI->getNormalDest()->begin();
96
97   while (isa<PHINode>(IP))
98     ++IP;
99
100   while (IP->isEHPad()) {
101     if (isa<LandingPadInst>(IP) || isa<CleanupPadInst>(IP)) {
102       ++IP;
103     } else if (auto *TPI = dyn_cast<TerminatePadInst>(IP)) {
104       IP = TPI->getUnwindDest()->getFirstNonPHI()->getIterator();
105     } else if (auto *CEPI = dyn_cast<CatchEndPadInst>(IP)) {
106       IP = CEPI->getUnwindDest()->getFirstNonPHI()->getIterator();
107     } else if (auto *CEPI = dyn_cast<CleanupEndPadInst>(IP)) {
108       IP = CEPI->getUnwindDest()->getFirstNonPHI()->getIterator();
109     } else if (isa<CatchPadInst>(IP)) {
110       IP = MustDominate->getFirstInsertionPt();
111     } else {
112       llvm_unreachable("unexpected eh pad!");
113     }
114   }
115
116   return IP;
117 }
118
119 /// InsertNoopCastOfTo - Insert a cast of V to the specified type,
120 /// which must be possible with a noop cast, doing what we can to share
121 /// the casts.
122 Value *SCEVExpander::InsertNoopCastOfTo(Value *V, Type *Ty) {
123   Instruction::CastOps Op = CastInst::getCastOpcode(V, false, Ty, false);
124   assert((Op == Instruction::BitCast ||
125           Op == Instruction::PtrToInt ||
126           Op == Instruction::IntToPtr) &&
127          "InsertNoopCastOfTo cannot perform non-noop casts!");
128   assert(SE.getTypeSizeInBits(V->getType()) == SE.getTypeSizeInBits(Ty) &&
129          "InsertNoopCastOfTo cannot change sizes!");
130
131   // Short-circuit unnecessary bitcasts.
132   if (Op == Instruction::BitCast) {
133     if (V->getType() == Ty)
134       return V;
135     if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(V)) {
136       if (CI->getOperand(0)->getType() == Ty)
137         return CI->getOperand(0);
138     }
139   }
140   // Short-circuit unnecessary inttoptr<->ptrtoint casts.
141   if ((Op == Instruction::PtrToInt || Op == Instruction::IntToPtr) &&
142       SE.getTypeSizeInBits(Ty) == SE.getTypeSizeInBits(V->getType())) {
143     if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(V))
144       if ((CI->getOpcode() == Instruction::PtrToInt ||
145            CI->getOpcode() == Instruction::IntToPtr) &&
146           SE.getTypeSizeInBits(CI->getType()) ==
147           SE.getTypeSizeInBits(CI->getOperand(0)->getType()))
148         return CI->getOperand(0);
149     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
150       if ((CE->getOpcode() == Instruction::PtrToInt ||
151            CE->getOpcode() == Instruction::IntToPtr) &&
152           SE.getTypeSizeInBits(CE->getType()) ==
153           SE.getTypeSizeInBits(CE->getOperand(0)->getType()))
154         return CE->getOperand(0);
155   }
156
157   // Fold a cast of a constant.
158   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
159     return ConstantExpr::getCast(Op, C, Ty);
160
161   // Cast the argument at the beginning of the entry block, after
162   // any bitcasts of other arguments.
163   if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(V)) {
164     BasicBlock::iterator IP = A->getParent()->getEntryBlock().begin();
165     while ((isa<BitCastInst>(IP) &&
166             isa<Argument>(cast<BitCastInst>(IP)->getOperand(0)) &&
167             cast<BitCastInst>(IP)->getOperand(0) != A) ||
168            isa<DbgInfoIntrinsic>(IP))
169       ++IP;
170     return ReuseOrCreateCast(A, Ty, Op, IP);
171   }
172
173   // Cast the instruction immediately after the instruction.
174   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
175   BasicBlock::iterator IP = findInsertPointAfter(I, Builder.GetInsertBlock());
176   return ReuseOrCreateCast(I, Ty, Op, IP);
177 }
178
179 /// InsertBinop - Insert the specified binary operator, doing a small amount
180 /// of work to avoid inserting an obviously redundant operation.
181 Value *SCEVExpander::InsertBinop(Instruction::BinaryOps Opcode,
182                                  Value *LHS, Value *RHS) {
183   // Fold a binop with constant operands.
184   if (Constant *CLHS = dyn_cast<Constant>(LHS))
185     if (Constant *CRHS = dyn_cast<Constant>(RHS))
186       return ConstantExpr::get(Opcode, CLHS, CRHS);
187
188   // Do a quick scan to see if we have this binop nearby.  If so, reuse it.
189   unsigned ScanLimit = 6;
190   BasicBlock::iterator BlockBegin = Builder.GetInsertBlock()->begin();
191   // Scanning starts from the last instruction before the insertion point.
192   BasicBlock::iterator IP = Builder.GetInsertPoint();
193   if (IP != BlockBegin) {
194     --IP;
195     for (; ScanLimit; --IP, --ScanLimit) {
196       // Don't count dbg.value against the ScanLimit, to avoid perturbing the
197       // generated code.
198       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP))
199         ScanLimit++;
200       if (IP->getOpcode() == (unsigned)Opcode && IP->getOperand(0) == LHS &&
201           IP->getOperand(1) == RHS)
202         return &*IP;
203       if (IP == BlockBegin) break;
204     }
205   }
206
207   // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
208   DebugLoc Loc = Builder.GetInsertPoint()->getDebugLoc();
209   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
210
211   // Move the insertion point out of as many loops as we can.
212   while (const Loop *L = SE.LI.getLoopFor(Builder.GetInsertBlock())) {
213     if (!L->isLoopInvariant(LHS) || !L->isLoopInvariant(RHS)) break;
214     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
215     if (!Preheader) break;
216
217     // Ok, move up a level.
218     Builder.SetInsertPoint(Preheader->getTerminator());
219   }
220
221   // If we haven't found this binop, insert it.
222   Instruction *BO = cast<Instruction>(Builder.CreateBinOp(Opcode, LHS, RHS));
223   BO->setDebugLoc(Loc);
224   rememberInstruction(BO);
225
226   return BO;
227 }
228
229 /// FactorOutConstant - Test if S is divisible by Factor, using signed
230 /// division. If so, update S with Factor divided out and return true.
231 /// S need not be evenly divisible if a reasonable remainder can be
232 /// computed.
233 /// TODO: When ScalarEvolution gets a SCEVSDivExpr, this can be made
234 /// unnecessary; in its place, just signed-divide Ops[i] by the scale and
235 /// check to see if the divide was folded.
236 static bool FactorOutConstant(const SCEV *&S, const SCEV *&Remainder,
237                               const SCEV *Factor, ScalarEvolution &SE,
238                               const DataLayout &DL) {
239   // Everything is divisible by one.
240   if (Factor->isOne())
241     return true;
242
243   // x/x == 1.
244   if (S == Factor) {
245     S = SE.getConstant(S->getType(), 1);
246     return true;
247   }
248
249   // For a Constant, check for a multiple of the given factor.
250   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
251     // 0/x == 0.
252     if (C->isZero())
253       return true;
254     // Check for divisibility.
255     if (const SCEVConstant *FC = dyn_cast<SCEVConstant>(Factor)) {
256       ConstantInt *CI =
257         ConstantInt::get(SE.getContext(),
258                          C->getValue()->getValue().sdiv(
259                                                    FC->getValue()->getValue()));
260       // If the quotient is zero and the remainder is non-zero, reject
261       // the value at this scale. It will be considered for subsequent
262       // smaller scales.
263       if (!CI->isZero()) {
264         const SCEV *Div = SE.getConstant(CI);
265         S = Div;
266         Remainder =
267           SE.getAddExpr(Remainder,
268                         SE.getConstant(C->getValue()->getValue().srem(
269                                                   FC->getValue()->getValue())));
270         return true;
271       }
272     }
273   }
274
275   // In a Mul, check if there is a constant operand which is a multiple
276   // of the given factor.
277   if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
278     // Size is known, check if there is a constant operand which is a multiple
279     // of the given factor. If so, we can factor it.
280     const SCEVConstant *FC = cast<SCEVConstant>(Factor);
281     if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(M->getOperand(0)))
282       if (!C->getValue()->getValue().srem(FC->getValue()->getValue())) {
283         SmallVector<const SCEV *, 4> NewMulOps(M->op_begin(), M->op_end());
284         NewMulOps[0] = SE.getConstant(
285             C->getValue()->getValue().sdiv(FC->getValue()->getValue()));
286         S = SE.getMulExpr(NewMulOps);
287         return true;
288       }
289   }
290
291   // In an AddRec, check if both start and step are divisible.
292   if (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
293     const SCEV *Step = A->getStepRecurrence(SE);
294     const SCEV *StepRem = SE.getConstant(Step->getType(), 0);
295     if (!FactorOutConstant(Step, StepRem, Factor, SE, DL))
296       return false;
297     if (!StepRem->isZero())
298       return false;
299     const SCEV *Start = A->getStart();
300     if (!FactorOutConstant(Start, Remainder, Factor, SE, DL))
301       return false;
302     S = SE.getAddRecExpr(Start, Step, A->getLoop(),
303                          A->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW));
304     return true;
305   }
306
307   return false;
308 }
309
310 /// SimplifyAddOperands - Sort and simplify a list of add operands. NumAddRecs
311 /// is the number of SCEVAddRecExprs present, which are kept at the end of
312 /// the list.
313 ///
314 static void SimplifyAddOperands(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
315                                 Type *Ty,
316                                 ScalarEvolution &SE) {
317   unsigned NumAddRecs = 0;
318   for (unsigned i = Ops.size(); i > 0 && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[i-1]); --i)
319     ++NumAddRecs;
320   // Group Ops into non-addrecs and addrecs.
321   SmallVector<const SCEV *, 8> NoAddRecs(Ops.begin(), Ops.end() - NumAddRecs);
322   SmallVector<const SCEV *, 8> AddRecs(Ops.end() - NumAddRecs, Ops.end());
323   // Let ScalarEvolution sort and simplify the non-addrecs list.
324   const SCEV *Sum = NoAddRecs.empty() ?
325                     SE.getConstant(Ty, 0) :
326                     SE.getAddExpr(NoAddRecs);
327   // If it returned an add, use the operands. Otherwise it simplified
328   // the sum into a single value, so just use that.
329   Ops.clear();
330   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Sum))
331     Ops.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
332   else if (!Sum->isZero())
333     Ops.push_back(Sum);
334   // Then append the addrecs.
335   Ops.append(AddRecs.begin(), AddRecs.end());
336 }
337
338 /// SplitAddRecs - Flatten a list of add operands, moving addrec start values
339 /// out to the top level. For example, convert {a + b,+,c} to a, b, {0,+,d}.
340 /// This helps expose more opportunities for folding parts of the expressions
341 /// into GEP indices.
342 ///
343 static void SplitAddRecs(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
344                          Type *Ty,
345                          ScalarEvolution &SE) {
346   // Find the addrecs.
347   SmallVector<const SCEV *, 8> AddRecs;
348   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
349     while (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[i])) {
350       const SCEV *Start = A->getStart();
351       if (Start->isZero()) break;
352       const SCEV *Zero = SE.getConstant(Ty, 0);
353       AddRecs.push_back(SE.getAddRecExpr(Zero,
354                                          A->getStepRecurrence(SE),
355                                          A->getLoop(),
356                                          A->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
357       if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Start)) {
358         Ops[i] = Zero;
359         Ops.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
360         e += Add->getNumOperands();
361       } else {
362         Ops[i] = Start;
363       }
364     }
365   if (!AddRecs.empty()) {
366     // Add the addrecs onto the end of the list.
367     Ops.append(AddRecs.begin(), AddRecs.end());
368     // Resort the operand list, moving any constants to the front.
369     SimplifyAddOperands(Ops, Ty, SE);
370   }
371 }
372
373 /// expandAddToGEP - Expand an addition expression with a pointer type into
374 /// a GEP instead of using ptrtoint+arithmetic+inttoptr. This helps
375 /// BasicAliasAnalysis and other passes analyze the result. See the rules
376 /// for getelementptr vs. inttoptr in
377 /// http://llvm.org/docs/LangRef.html#pointeraliasing
378 /// for details.
379 ///
380 /// Design note: The correctness of using getelementptr here depends on
381 /// ScalarEvolution not recognizing inttoptr and ptrtoint operators, as
382 /// they may introduce pointer arithmetic which may not be safely converted
383 /// into getelementptr.
384 ///
385 /// Design note: It might seem desirable for this function to be more
386 /// loop-aware. If some of the indices are loop-invariant while others
387 /// aren't, it might seem desirable to emit multiple GEPs, keeping the
388 /// loop-invariant portions of the overall computation outside the loop.
389 /// However, there are a few reasons this is not done here. Hoisting simple
390 /// arithmetic is a low-level optimization that often isn't very
391 /// important until late in the optimization process. In fact, passes
392 /// like InstructionCombining will combine GEPs, even if it means
393 /// pushing loop-invariant computation down into loops, so even if the
394 /// GEPs were split here, the work would quickly be undone. The
395 /// LoopStrengthReduction pass, which is usually run quite late (and
396 /// after the last InstructionCombining pass), takes care of hoisting
397 /// loop-invariant portions of expressions, after considering what
398 /// can be folded using target addressing modes.
399 ///
400 Value *SCEVExpander::expandAddToGEP(const SCEV *const *op_begin,
401                                     const SCEV *const *op_end,
402                                     PointerType *PTy,
403                                     Type *Ty,
404                                     Value *V) {
405   Type *OriginalElTy = PTy->getElementType();
406   Type *ElTy = OriginalElTy;
407   SmallVector<Value *, 4> GepIndices;
408   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops(op_begin, op_end);
409   bool AnyNonZeroIndices = false;
410
411   // Split AddRecs up into parts as either of the parts may be usable
412   // without the other.
413   SplitAddRecs(Ops, Ty, SE);
414
415   Type *IntPtrTy = DL.getIntPtrType(PTy);
416
417   // Descend down the pointer's type and attempt to convert the other
418   // operands into GEP indices, at each level. The first index in a GEP
419   // indexes into the array implied by the pointer operand; the rest of
420   // the indices index into the element or field type selected by the
421   // preceding index.
422   for (;;) {
423     // If the scale size is not 0, attempt to factor out a scale for
424     // array indexing.
425     SmallVector<const SCEV *, 8> ScaledOps;
426     if (ElTy->isSized()) {
427       const SCEV *ElSize = SE.getSizeOfExpr(IntPtrTy, ElTy);
428       if (!ElSize->isZero()) {
429         SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps;
430         for (const SCEV *Op : Ops) {
431           const SCEV *Remainder = SE.getConstant(Ty, 0);
432           if (FactorOutConstant(Op, Remainder, ElSize, SE, DL)) {
433             // Op now has ElSize factored out.
434             ScaledOps.push_back(Op);
435             if (!Remainder->isZero())
436               NewOps.push_back(Remainder);
437             AnyNonZeroIndices = true;
438           } else {
439             // The operand was not divisible, so add it to the list of operands
440             // we'll scan next iteration.
441             NewOps.push_back(Op);
442           }
443         }
444         // If we made any changes, update Ops.
445         if (!ScaledOps.empty()) {
446           Ops = NewOps;
447           SimplifyAddOperands(Ops, Ty, SE);
448         }
449       }
450     }
451
452     // Record the scaled array index for this level of the type. If
453     // we didn't find any operands that could be factored, tentatively
454     // assume that element zero was selected (since the zero offset
455     // would obviously be folded away).
456     Value *Scaled = ScaledOps.empty() ?
457                     Constant::getNullValue(Ty) :
458                     expandCodeFor(SE.getAddExpr(ScaledOps), Ty);
459     GepIndices.push_back(Scaled);
460
461     // Collect struct field index operands.
462     while (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(ElTy)) {
463       bool FoundFieldNo = false;
464       // An empty struct has no fields.
465       if (STy->getNumElements() == 0) break;
466       // Field offsets are known. See if a constant offset falls within any of
467       // the struct fields.
468       if (Ops.empty())
469         break;
470       if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0]))
471         if (SE.getTypeSizeInBits(C->getType()) <= 64) {
472           const StructLayout &SL = *DL.getStructLayout(STy);
473           uint64_t FullOffset = C->getValue()->getZExtValue();
474           if (FullOffset < SL.getSizeInBytes()) {
475             unsigned ElIdx = SL.getElementContainingOffset(FullOffset);
476             GepIndices.push_back(
477                 ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Ty->getContext()), ElIdx));
478             ElTy = STy->getTypeAtIndex(ElIdx);
479             Ops[0] =
480                 SE.getConstant(Ty, FullOffset - SL.getElementOffset(ElIdx));
481             AnyNonZeroIndices = true;
482             FoundFieldNo = true;
483           }
484         }
485       // If no struct field offsets were found, tentatively assume that
486       // field zero was selected (since the zero offset would obviously
487       // be folded away).
488       if (!FoundFieldNo) {
489         ElTy = STy->getTypeAtIndex(0u);
490         GepIndices.push_back(
491           Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(Ty->getContext())));
492       }
493     }
494
495     if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(ElTy))
496       ElTy = ATy->getElementType();
497     else
498       break;
499   }
500
501   // If none of the operands were convertible to proper GEP indices, cast
502   // the base to i8* and do an ugly getelementptr with that. It's still
503   // better than ptrtoint+arithmetic+inttoptr at least.
504   if (!AnyNonZeroIndices) {
505     // Cast the base to i8*.
506     V = InsertNoopCastOfTo(V,
507        Type::getInt8PtrTy(Ty->getContext(), PTy->getAddressSpace()));
508
509     assert(!isa<Instruction>(V) ||
510            SE.DT.dominates(cast<Instruction>(V), &*Builder.GetInsertPoint()));
511
512     // Expand the operands for a plain byte offset.
513     Value *Idx = expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty);
514
515     // Fold a GEP with constant operands.
516     if (Constant *CLHS = dyn_cast<Constant>(V))
517       if (Constant *CRHS = dyn_cast<Constant>(Idx))
518         return ConstantExpr::getGetElementPtr(Type::getInt8Ty(Ty->getContext()),
519                                               CLHS, CRHS);
520
521     // Do a quick scan to see if we have this GEP nearby.  If so, reuse it.
522     unsigned ScanLimit = 6;
523     BasicBlock::iterator BlockBegin = Builder.GetInsertBlock()->begin();
524     // Scanning starts from the last instruction before the insertion point.
525     BasicBlock::iterator IP = Builder.GetInsertPoint();
526     if (IP != BlockBegin) {
527       --IP;
528       for (; ScanLimit; --IP, --ScanLimit) {
529         // Don't count dbg.value against the ScanLimit, to avoid perturbing the
530         // generated code.
531         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP))
532           ScanLimit++;
533         if (IP->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr &&
534             IP->getOperand(0) == V && IP->getOperand(1) == Idx)
535           return &*IP;
536         if (IP == BlockBegin) break;
537       }
538     }
539
540     // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
541     BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
542
543     // Move the insertion point out of as many loops as we can.
544     while (const Loop *L = SE.LI.getLoopFor(Builder.GetInsertBlock())) {
545       if (!L->isLoopInvariant(V) || !L->isLoopInvariant(Idx)) break;
546       BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
547       if (!Preheader) break;
548
549       // Ok, move up a level.
550       Builder.SetInsertPoint(Preheader->getTerminator());
551     }
552
553     // Emit a GEP.
554     Value *GEP = Builder.CreateGEP(Builder.getInt8Ty(), V, Idx, "uglygep");
555     rememberInstruction(GEP);
556
557     return GEP;
558   }
559
560   // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
561   BuilderType::InsertPoint SaveInsertPt = Builder.saveIP();
562
563   // Move the insertion point out of as many loops as we can.
564   while (const Loop *L = SE.LI.getLoopFor(Builder.GetInsertBlock())) {
565     if (!L->isLoopInvariant(V)) break;
566
567     bool AnyIndexNotLoopInvariant =
568         std::any_of(GepIndices.begin(), GepIndices.end(),
569                     [L](Value *Op) { return !L->isLoopInvariant(Op); });
570
571     if (AnyIndexNotLoopInvariant)
572       break;
573
574     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
575     if (!Preheader) break;
576
577     // Ok, move up a level.
578     Builder.SetInsertPoint(Preheader->getTerminator());
579   }
580
581   // Insert a pretty getelementptr. Note that this GEP is not marked inbounds,
582   // because ScalarEvolution may have changed the address arithmetic to
583   // compute a value which is beyond the end of the allocated object.
584   Value *Casted = V;
585   if (V->getType() != PTy)
586     Casted = InsertNoopCastOfTo(Casted, PTy);
587   Value *GEP = Builder.CreateGEP(OriginalElTy, Casted, GepIndices, "scevgep");
588   Ops.push_back(SE.getUnknown(GEP));
589   rememberInstruction(GEP);
590
591   // Restore the original insert point.
592   Builder.restoreIP(SaveInsertPt);
593
594   return expand(SE.getAddExpr(Ops));
595 }
596
597 /// PickMostRelevantLoop - Given two loops pick the one that's most relevant for
598 /// SCEV expansion. If they are nested, this is the most nested. If they are
599 /// neighboring, pick the later.
600 static const Loop *PickMostRelevantLoop(const Loop *A, const Loop *B,
601                                         DominatorTree &DT) {
602   if (!A) return B;
603   if (!B) return A;
604   if (A->contains(B)) return B;
605   if (B->contains(A)) return A;
606   if (DT.dominates(A->getHeader(), B->getHeader())) return B;
607   if (DT.dominates(B->getHeader(), A->getHeader())) return A;
608   return A; // Arbitrarily break the tie.
609 }
610
611 /// getRelevantLoop - Get the most relevant loop associated with the given
612 /// expression, according to PickMostRelevantLoop.
613 const Loop *SCEVExpander::getRelevantLoop(const SCEV *S) {
614   // Test whether we've already computed the most relevant loop for this SCEV.
615   auto Pair = RelevantLoops.insert(std::make_pair(S, nullptr));
616   if (!Pair.second)
617     return Pair.first->second;
618
619   if (isa<SCEVConstant>(S))
620     // A constant has no relevant loops.
621     return nullptr;
622   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
623     if (const Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(U->getValue()))
624       return Pair.first->second = SE.LI.getLoopFor(I->getParent());
625     // A non-instruction has no relevant loops.
626     return nullptr;
627   }
628   if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S)) {
629     const Loop *L = nullptr;
630     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
631       L = AR->getLoop();
632     for (const SCEV *Op : N->operands())
633       L = PickMostRelevantLoop(L, getRelevantLoop(Op), SE.DT);
634     return RelevantLoops[N] = L;
635   }
636   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S)) {
637     const Loop *Result = getRelevantLoop(C->getOperand());
638     return RelevantLoops[C] = Result;
639   }
640   if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
641     const Loop *Result = PickMostRelevantLoop(
642         getRelevantLoop(D->getLHS()), getRelevantLoop(D->getRHS()), SE.DT);
643     return RelevantLoops[D] = Result;
644   }
645   llvm_unreachable("Unexpected SCEV type!");
646 }
647
648 namespace {
649
650 /// LoopCompare - Compare loops by PickMostRelevantLoop.
651 class LoopCompare {
652   DominatorTree &DT;
653 public:
654   explicit LoopCompare(DominatorTree &dt) : DT(dt) {}
655
656   bool operator()(std::pair<const Loop *, const SCEV *> LHS,
657                   std::pair<const Loop *, const SCEV *> RHS) const {
658     // Keep pointer operands sorted at the end.
659     if (LHS.second->getType()->isPointerTy() !=
660         RHS.second->getType()->isPointerTy())
661       return LHS.second->getType()->isPointerTy();
662
663     // Compare loops with PickMostRelevantLoop.
664     if (LHS.first != RHS.first)
665       return PickMostRelevantLoop(LHS.first, RHS.first, DT) != LHS.first;
666
667     // If one operand is a non-constant negative and the other is not,
668     // put the non-constant negative on the right so that a sub can
669     // be used instead of a negate and add.
670     if (LHS.second->isNonConstantNegative()) {
671       if (!RHS.second->isNonConstantNegative())
672         return false;
673     } else if (RHS.second->isNonConstantNegative())
674       return true;
675
676     // Otherwise they are equivalent according to this comparison.
677     return false;
678   }
679 };
680
681 }
682
683 Value *SCEVExpander::visitAddExpr(const SCEVAddExpr *S) {
684   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
685
686   // Collect all the add operands in a loop, along with their associated loops.
687   // Iterate in reverse so that constants are emitted last, all else equal, and
688   // so that pointer operands are inserted first, which the code below relies on
689   // to form more involved GEPs.
690   SmallVector<std::pair<const Loop *, const SCEV *>, 8> OpsAndLoops;
691   for (std::reverse_iterator<SCEVAddExpr::op_iterator> I(S->op_end()),
692        E(S->op_begin()); I != E; ++I)
693     OpsAndLoops.push_back(std::make_pair(getRelevantLoop(*I), *I));
694
695   // Sort by loop. Use a stable sort so that constants follow non-constants and
696   // pointer operands precede non-pointer operands.
697   std::stable_sort(OpsAndLoops.begin(), OpsAndLoops.end(), LoopCompare(SE.DT));
698
699   // Emit instructions to add all the operands. Hoist as much as possible
700   // out of loops, and form meaningful getelementptrs where possible.
701   Value *Sum = nullptr;
702   for (auto I = OpsAndLoops.begin(), E = OpsAndLoops.end(); I != E;) {
703     const Loop *CurLoop = I->first;
704     const SCEV *Op = I->second;
705     if (!Sum) {
706       // This is the first operand. Just expand it.
707       Sum = expand(Op);
708       ++I;
709     } else if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(Sum->getType())) {
710       // The running sum expression is a pointer. Try to form a getelementptr
711       // at this level with that as the base.
712       SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps;
713       for (; I != E && I->first == CurLoop; ++I) {
714         // If the operand is SCEVUnknown and not instructions, peek through
715         // it, to enable more of it to be folded into the GEP.
716         const SCEV *X = I->second;
717         if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(X))
718           if (!isa<Instruction>(U->getValue()))
719             X = SE.getSCEV(U->getValue());
720         NewOps.push_back(X);
721       }
722       Sum = expandAddToGEP(NewOps.begin(), NewOps.end(), PTy, Ty, Sum);
723     } else if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(Op->getType())) {
724       // The running sum is an integer, and there's a pointer at this level.
725       // Try to form a getelementptr. If the running sum is instructions,
726       // use a SCEVUnknown to avoid re-analyzing them.
727       SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps;
728       NewOps.push_back(isa<Instruction>(Sum) ? SE.getUnknown(Sum) :
729                                                SE.getSCEV(Sum));
730       for (++I; I != E && I->first == CurLoop; ++I)
731         NewOps.push_back(I->second);
732       Sum = expandAddToGEP(NewOps.begin(), NewOps.end(), PTy, Ty, expand(Op));
733     } else if (Op->isNonConstantNegative()) {
734       // Instead of doing a negate and add, just do a subtract.
735       Value *W = expandCodeFor(SE.getNegativeSCEV(Op), Ty);
736       Sum = InsertNoopCastOfTo(Sum, Ty);
737       Sum = InsertBinop(Instruction::Sub, Sum, W);
738       ++I;
739     } else {
740       // A simple add.
741       Value *W = expandCodeFor(Op, Ty);
742       Sum = InsertNoopCastOfTo(Sum, Ty);
743       // Canonicalize a constant to the RHS.
744       if (isa<Constant>(Sum)) std::swap(Sum, W);
745       Sum = InsertBinop(Instruction::Add, Sum, W);
746       ++I;
747     }
748   }
749
750   return Sum;
751 }
752
753 Value *SCEVExpander::visitMulExpr(const SCEVMulExpr *S) {
754   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
755
756   // Collect all the mul operands in a loop, along with their associated loops.
757   // Iterate in reverse so that constants are emitted last, all else equal.
758   SmallVector<std::pair<const Loop *, const SCEV *>, 8> OpsAndLoops;
759   for (std::reverse_iterator<SCEVMulExpr::op_iterator> I(S->op_end()),
760        E(S->op_begin()); I != E; ++I)
761     OpsAndLoops.push_back(std::make_pair(getRelevantLoop(*I), *I));
762
763   // Sort by loop. Use a stable sort so that constants follow non-constants.
764   std::stable_sort(OpsAndLoops.begin(), OpsAndLoops.end(), LoopCompare(SE.DT));
765
766   // Emit instructions to mul all the operands. Hoist as much as possible
767   // out of loops.
768   Value *Prod = nullptr;
769   for (const auto &I : OpsAndLoops) {
770     const SCEV *Op = I.second;
771     if (!Prod) {
772       // This is the first operand. Just expand it.
773       Prod = expand(Op);
774     } else if (Op->isAllOnesValue()) {
775       // Instead of doing a multiply by negative one, just do a negate.
776       Prod = InsertNoopCastOfTo(Prod, Ty);
777       Prod = InsertBinop(Instruction::Sub, Constant::getNullValue(Ty), Prod);
778     } else {
779       // A simple mul.
780       Value *W = expandCodeFor(Op, Ty);
781       Prod = InsertNoopCastOfTo(Prod, Ty);
782       // Canonicalize a constant to the RHS.
783       if (isa<Constant>(Prod)) std::swap(Prod, W);
784       const APInt *RHS;
785       if (match(W, m_Power2(RHS))) {
786         // Canonicalize Prod*(1<<C) to Prod<<C.
787         assert(!Ty->isVectorTy() && "vector types are not SCEVable");
788         Prod = InsertBinop(Instruction::Shl, Prod,
789                            ConstantInt::get(Ty, RHS->logBase2()));
790       } else {
791         Prod = InsertBinop(Instruction::Mul, Prod, W);
792       }
793     }
794   }
795
796   return Prod;
797 }
798
799 Value *SCEVExpander::visitUDivExpr(const SCEVUDivExpr *S) {
800   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
801
802   Value *LHS = expandCodeFor(S->getLHS(), Ty);
803   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(S->getRHS())) {
804     const APInt &RHS = SC->getValue()->getValue();
805     if (RHS.isPowerOf2())
806       return InsertBinop(Instruction::LShr, LHS,
807                          ConstantInt::get(Ty, RHS.logBase2()));
808   }
809
810   Value *RHS = expandCodeFor(S->getRHS(), Ty);
811   return InsertBinop(Instruction::UDiv, LHS, RHS);
812 }
813
814 /// Move parts of Base into Rest to leave Base with the minimal
815 /// expression that provides a pointer operand suitable for a
816 /// GEP expansion.
817 static void ExposePointerBase(const SCEV *&Base, const SCEV *&Rest,
818                               ScalarEvolution &SE) {
819   while (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base)) {
820     Base = A->getStart();
821     Rest = SE.getAddExpr(Rest,
822                          SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(A->getType(), 0),
823                                           A->getStepRecurrence(SE),
824                                           A->getLoop(),
825                                           A->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
826   }
827   if (const SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Base)) {
828     Base = A->getOperand(A->getNumOperands()-1);
829     SmallVector<const SCEV *, 8> NewAddOps(A->op_begin(), A->op_end());
830     NewAddOps.back() = Rest;
831     Rest = SE.getAddExpr(NewAddOps);
832     ExposePointerBase(Base, Rest, SE);
833   }
834 }
835
836 /// Determine if this is a well-behaved chain of instructions leading back to
837 /// the PHI. If so, it may be reused by expanded expressions.
838 bool SCEVExpander::isNormalAddRecExprPHI(PHINode *PN, Instruction *IncV,
839                                          const Loop *L) {
840   if (IncV->getNumOperands() == 0 || isa<PHINode>(IncV) ||
841       (isa<CastInst>(IncV) && !isa<BitCastInst>(IncV)))
842     return false;
843   // If any of the operands don't dominate the insert position, bail.
844   // Addrec operands are always loop-invariant, so this can only happen
845   // if there are instructions which haven't been hoisted.
846   if (L == IVIncInsertLoop) {
847     for (User::op_iterator OI = IncV->op_begin()+1,
848            OE = IncV->op_end(); OI != OE; ++OI)
849       if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(OI))
850         if (!SE.DT.dominates(OInst, IVIncInsertPos))
851           return false;
852   }
853   // Advance to the next instruction.
854   IncV = dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
855   if (!IncV)
856     return false;
857
858   if (IncV->mayHaveSideEffects())
859     return false;
860
861   if (IncV != PN)
862     return true;
863
864   return isNormalAddRecExprPHI(PN, IncV, L);
865 }
866
867 /// getIVIncOperand returns an induction variable increment's induction
868 /// variable operand.
869 ///
870 /// If allowScale is set, any type of GEP is allowed as long as the nonIV
871 /// operands dominate InsertPos.
872 ///
873 /// If allowScale is not set, ensure that a GEP increment conforms to one of the
874 /// simple patterns generated by getAddRecExprPHILiterally and
875 /// expandAddtoGEP. If the pattern isn't recognized, return NULL.
876 Instruction *SCEVExpander::getIVIncOperand(Instruction *IncV,
877                                            Instruction *InsertPos,
878                                            bool allowScale) {
879   if (IncV == InsertPos)
880     return nullptr;
881
882   switch (IncV->getOpcode()) {
883   default:
884     return nullptr;
885   // Check for a simple Add/Sub or GEP of a loop invariant step.
886   case Instruction::Add:
887   case Instruction::Sub: {
888     Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(1));
889     if (!OInst || SE.DT.dominates(OInst, InsertPos))
890       return dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
891     return nullptr;
892   }
893   case Instruction::BitCast:
894     return dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
895   case Instruction::GetElementPtr:
896     for (auto I = IncV->op_begin() + 1, E = IncV->op_end(); I != E; ++I) {
897       if (isa<Constant>(*I))
898         continue;
899       if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(*I)) {
900         if (!SE.DT.dominates(OInst, InsertPos))
901           return nullptr;
902       }
903       if (allowScale) {
904         // allow any kind of GEP as long as it can be hoisted.
905         continue;
906       }
907       // This must be a pointer addition of constants (pretty), which is already
908       // handled, or some number of address-size elements (ugly). Ugly geps
909       // have 2 operands. i1* is used by the expander to represent an
910       // address-size element.
911       if (IncV->getNumOperands() != 2)
912         return nullptr;
913       unsigned AS = cast<PointerType>(IncV->getType())->getAddressSpace();
914       if (IncV->getType() != Type::getInt1PtrTy(SE.getContext(), AS)
915           && IncV->getType() != Type::getInt8PtrTy(SE.getContext(), AS))
916         return nullptr;
917       break;
918     }
919     return dyn_cast<Instruction>(IncV->getOperand(0));
920   }
921 }
922
923 /// hoistStep - Attempt to hoist a simple IV increment above InsertPos to make
924 /// it available to other uses in this loop. Recursively hoist any operands,
925 /// until we reach a value that dominates InsertPos.
926 bool SCEVExpander::hoistIVInc(Instruction *IncV, Instruction *InsertPos) {
927   if (SE.DT.dominates(IncV, InsertPos))
928       return true;
929
930   // InsertPos must itself dominate IncV so that IncV's new position satisfies
931   // its existing users.
932   if (isa<PHINode>(InsertPos) ||
933       !SE.DT.dominates(InsertPos->getParent(), IncV->getParent()))
934     return false;
935
936   // Check that the chain of IV operands leading back to Phi can be hoisted.
937   SmallVector<Instruction*, 4> IVIncs;
938   for(;;) {
939     Instruction *Oper = getIVIncOperand(IncV, InsertPos, /*allowScale*/true);
940     if (!Oper)
941       return false;
942     // IncV is safe to hoist.
943     IVIncs.push_back(IncV);
944     IncV = Oper;
945     if (SE.DT.dominates(IncV, InsertPos))
946       break;
947   }
948   for (auto I = IVIncs.rbegin(), E = IVIncs.rend(); I != E; ++I) {
949     (*I)->moveBefore(InsertPos);
950   }
951   return true;
952 }
953
954 /// Determine if this cyclic phi is in a form that would have been generated by
955 /// LSR. We don't care if the phi was actually expanded in this pass, as long
956 /// as it is in a low-cost form, for example, no implied multiplication. This
957 /// should match any patterns generated by getAddRecExprPHILiterally and
958 /// expandAddtoGEP.
959 bool SCEVExpander::isExpandedAddRecExprPHI(PHINode *PN, Instruction *IncV,
960                                            const Loop *L) {
961   for(Instruction *IVOper = IncV;
962       (IVOper = getIVIncOperand(IVOper, L->getLoopPreheader()->getTerminator(),
963                                 /*allowScale=*/false));) {
964     if (IVOper == PN)
965       return true;
966   }
967   return false;
968 }
969
970 /// expandIVInc - Expand an IV increment at Builder's current InsertPos.
971 /// Typically this is the LatchBlock terminator or IVIncInsertPos, but we may
972 /// need to materialize IV increments elsewhere to handle difficult situations.
973 Value *SCEVExpander::expandIVInc(PHINode *PN, Value *StepV, const Loop *L,
974                                  Type *ExpandTy, Type *IntTy,
975                                  bool useSubtract) {
976   Value *IncV;
977   // If the PHI is a pointer, use a GEP, otherwise use an add or sub.
978   if (ExpandTy->isPointerTy()) {
979     PointerType *GEPPtrTy = cast<PointerType>(ExpandTy);
980     // If the step isn't constant, don't use an implicitly scaled GEP, because
981     // that would require a multiply inside the loop.
982     if (!isa<ConstantInt>(StepV))
983       GEPPtrTy = PointerType::get(Type::getInt1Ty(SE.getContext()),
984                                   GEPPtrTy->getAddressSpace());
985     const SCEV *const StepArray[1] = { SE.getSCEV(StepV) };
986     IncV = expandAddToGEP(StepArray, StepArray+1, GEPPtrTy, IntTy, PN);
987     if (IncV->getType() != PN->getType()) {
988       IncV = Builder.CreateBitCast(IncV, PN->getType());
989       rememberInstruction(IncV);
990     }
991   } else {
992     IncV = useSubtract ?
993       Builder.CreateSub(PN, StepV, Twine(IVName) + ".iv.next") :
994       Builder.CreateAdd(PN, StepV, Twine(IVName) + ".iv.next");
995     rememberInstruction(IncV);
996   }
997   return IncV;
998 }
999
1000 /// \brief Hoist the addrec instruction chain rooted in the loop phi above the
1001 /// position. This routine assumes that this is possible (has been checked).
1002 static void hoistBeforePos(DominatorTree *DT, Instruction *InstToHoist,
1003                            Instruction *Pos, PHINode *LoopPhi) {
1004   do {
1005     if (DT->dominates(InstToHoist, Pos))
1006       break;
1007     // Make sure the increment is where we want it. But don't move it
1008     // down past a potential existing post-inc user.
1009     InstToHoist->moveBefore(Pos);
1010     Pos = InstToHoist;
1011     InstToHoist = cast<Instruction>(InstToHoist->getOperand(0));
1012   } while (InstToHoist != LoopPhi);
1013 }
1014
1015 /// \brief Check whether we can cheaply express the requested SCEV in terms of
1016 /// the available PHI SCEV by truncation and/or inversion of the step.
1017 static bool canBeCheaplyTransformed(ScalarEvolution &SE,
1018                                     const SCEVAddRecExpr *Phi,
1019                                     const SCEVAddRecExpr *Requested,
1020                                     bool &InvertStep) {
1021   Type *PhiTy = SE.getEffectiveSCEVType(Phi->getType());
1022   Type *RequestedTy = SE.getEffectiveSCEVType(Requested->getType());
1023
1024   if (RequestedTy->getIntegerBitWidth() > PhiTy->getIntegerBitWidth())
1025     return false;
1026
1027   // Try truncate it if necessary.
1028   Phi = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getTruncateOrNoop(Phi, RequestedTy));
1029   if (!Phi)
1030     return false;
1031
1032   // Check whether truncation will help.
1033   if (Phi == Requested) {
1034     InvertStep = false;
1035     return true;
1036   }
1037
1038   // Check whether inverting will help: {R,+,-1} == R - {0,+,1}.
1039   if (SE.getAddExpr(Requested->getStart(),
1040                     SE.getNegativeSCEV(Requested)) == Phi) {
1041     InvertStep = true;
1042     return true;
1043   }
1044
1045   return false;
1046 }
1047
1048 static bool IsIncrementNSW(ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *AR) {
1049   if (!isa<IntegerType>(AR->getType()))
1050     return false;
1051
1052   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(AR->getType())->getBitWidth();
1053   Type *WideTy = IntegerType::get(AR->getType()->getContext(), BitWidth * 2);
1054   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(SE);
1055   const SCEV *OpAfterExtend = SE.getAddExpr(SE.getSignExtendExpr(Step, WideTy),
1056                                             SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
1057   const SCEV *ExtendAfterOp =
1058     SE.getSignExtendExpr(SE.getAddExpr(AR, Step), WideTy);
1059   return ExtendAfterOp == OpAfterExtend;
1060 }
1061
1062 static bool IsIncrementNUW(ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *AR) {
1063   if (!isa<IntegerType>(AR->getType()))
1064     return false;
1065
1066   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(AR->getType())->getBitWidth();
1067   Type *WideTy = IntegerType::get(AR->getType()->getContext(), BitWidth * 2);
1068   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(SE);
1069   const SCEV *OpAfterExtend = SE.getAddExpr(SE.getZeroExtendExpr(Step, WideTy),
1070                                             SE.getZeroExtendExpr(AR, WideTy));
1071   const SCEV *ExtendAfterOp =
1072     SE.getZeroExtendExpr(SE.getAddExpr(AR, Step), WideTy);
1073   return ExtendAfterOp == OpAfterExtend;
1074 }
1075
1076 /// getAddRecExprPHILiterally - Helper for expandAddRecExprLiterally. Expand
1077 /// the base addrec, which is the addrec without any non-loop-dominating
1078 /// values, and return the PHI.
1079 PHINode *
1080 SCEVExpander::getAddRecExprPHILiterally(const SCEVAddRecExpr *Normalized,
1081                                         const Loop *L,
1082                                         Type *ExpandTy,
1083                                         Type *IntTy,
1084                                         Type *&TruncTy,
1085                                         bool &InvertStep) {
1086   assert((!IVIncInsertLoop||IVIncInsertPos) && "Uninitialized insert position");
1087
1088   // Reuse a previously-inserted PHI, if present.
1089   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1090   if (LatchBlock) {
1091     PHINode *AddRecPhiMatch = nullptr;
1092     Instruction *IncV = nullptr;
1093     TruncTy = nullptr;
1094     InvertStep = false;
1095
1096     // Only try partially matching scevs that need truncation and/or
1097     // step-inversion if we know this loop is outside the current loop.
1098     bool TryNonMatchingSCEV =
1099         IVIncInsertLoop &&
1100         SE.DT.properlyDominates(LatchBlock, IVIncInsertLoop->getHeader());
1101
1102     for (auto &I : *L->getHeader()) {
1103       auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1104       if (!PN || !SE.isSCEVable(PN->getType()))
1105         continue;
1106
1107       const SCEVAddRecExpr *PhiSCEV = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(PN));
1108       if (!PhiSCEV)
1109         continue;
1110
1111       bool IsMatchingSCEV = PhiSCEV == Normalized;
1112       // We only handle truncation and inversion of phi recurrences for the
1113       // expanded expression if the expanded expression's loop dominates the
1114       // loop we insert to. Check now, so we can bail out early.
1115       if (!IsMatchingSCEV && !TryNonMatchingSCEV)
1116           continue;
1117
1118       Instruction *TempIncV =
1119           cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1120
1121       // Check whether we can reuse this PHI node.
1122       if (LSRMode) {
1123         if (!isExpandedAddRecExprPHI(PN, TempIncV, L))
1124           continue;
1125         if (L == IVIncInsertLoop && !hoistIVInc(TempIncV, IVIncInsertPos))
1126           continue;
1127       } else {
1128         if (!isNormalAddRecExprPHI(PN, TempIncV, L))
1129           continue;
1130       }
1131
1132       // Stop if we have found an exact match SCEV.
1133       if (IsMatchingSCEV) {
1134         IncV = TempIncV;
1135         TruncTy = nullptr;
1136         InvertStep = false;
1137         AddRecPhiMatch = PN;
1138         break;
1139       }
1140
1141       // Try whether the phi can be translated into the requested form
1142       // (truncated and/or offset by a constant).
1143       if ((!TruncTy || InvertStep) &&
1144           canBeCheaplyTransformed(SE, PhiSCEV, Normalized, InvertStep)) {
1145         // Record the phi node. But don't stop we might find an exact match
1146         // later.
1147         AddRecPhiMatch = PN;
1148         IncV = TempIncV;
1149         TruncTy = SE.getEffectiveSCEVType(Normalized->getType());
1150       }
1151     }
1152
1153     if (AddRecPhiMatch) {
1154       // Potentially, move the increment. We have made sure in
1155       // isExpandedAddRecExprPHI or hoistIVInc that this is possible.
1156       if (L == IVIncInsertLoop)
1157         hoistBeforePos(&SE.DT, IncV, IVIncInsertPos, AddRecPhiMatch);
1158
1159       // Ok, the add recurrence looks usable.
1160       // Remember this PHI, even in post-inc mode.
1161       InsertedValues.insert(AddRecPhiMatch);
1162       // Remember the increment.
1163       rememberInstruction(IncV);
1164       return AddRecPhiMatch;
1165     }
1166   }
1167
1168   // Save the original insertion point so we can restore it when we're done.
1169   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1170
1171   // Another AddRec may need to be recursively expanded below. For example, if
1172   // this AddRec is quadratic, the StepV may itself be an AddRec in this
1173   // loop. Remove this loop from the PostIncLoops set before expanding such
1174   // AddRecs. Otherwise, we cannot find a valid position for the step
1175   // (i.e. StepV can never dominate its loop header).  Ideally, we could do
1176   // SavedIncLoops.swap(PostIncLoops), but we generally have a single element,
1177   // so it's not worth implementing SmallPtrSet::swap.
1178   PostIncLoopSet SavedPostIncLoops = PostIncLoops;
1179   PostIncLoops.clear();
1180
1181   // Expand code for the start value.
1182   Value *StartV =
1183       expandCodeFor(Normalized->getStart(), ExpandTy, &L->getHeader()->front());
1184
1185   // StartV must be hoisted into L's preheader to dominate the new phi.
1186   assert(!isa<Instruction>(StartV) ||
1187          SE.DT.properlyDominates(cast<Instruction>(StartV)->getParent(),
1188                                  L->getHeader()));
1189
1190   // Expand code for the step value. Do this before creating the PHI so that PHI
1191   // reuse code doesn't see an incomplete PHI.
1192   const SCEV *Step = Normalized->getStepRecurrence(SE);
1193   // If the stride is negative, insert a sub instead of an add for the increment
1194   // (unless it's a constant, because subtracts of constants are canonicalized
1195   // to adds).
1196   bool useSubtract = !ExpandTy->isPointerTy() && Step->isNonConstantNegative();
1197   if (useSubtract)
1198     Step = SE.getNegativeSCEV(Step);
1199   // Expand the step somewhere that dominates the loop header.
1200   Value *StepV = expandCodeFor(Step, IntTy, &L->getHeader()->front());
1201
1202   // The no-wrap behavior proved by IsIncrement(NUW|NSW) is only applicable if
1203   // we actually do emit an addition.  It does not apply if we emit a
1204   // subtraction.
1205   bool IncrementIsNUW = !useSubtract && IsIncrementNUW(SE, Normalized);
1206   bool IncrementIsNSW = !useSubtract && IsIncrementNSW(SE, Normalized);
1207
1208   // Create the PHI.
1209   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1210   Builder.SetInsertPoint(Header, Header->begin());
1211   pred_iterator HPB = pred_begin(Header), HPE = pred_end(Header);
1212   PHINode *PN = Builder.CreatePHI(ExpandTy, std::distance(HPB, HPE),
1213                                   Twine(IVName) + ".iv");
1214   rememberInstruction(PN);
1215
1216   // Create the step instructions and populate the PHI.
1217   for (pred_iterator HPI = HPB; HPI != HPE; ++HPI) {
1218     BasicBlock *Pred = *HPI;
1219
1220     // Add a start value.
1221     if (!L->contains(Pred)) {
1222       PN->addIncoming(StartV, Pred);
1223       continue;
1224     }
1225
1226     // Create a step value and add it to the PHI.
1227     // If IVIncInsertLoop is non-null and equal to the addrec's loop, insert the
1228     // instructions at IVIncInsertPos.
1229     Instruction *InsertPos = L == IVIncInsertLoop ?
1230       IVIncInsertPos : Pred->getTerminator();
1231     Builder.SetInsertPoint(InsertPos);
1232     Value *IncV = expandIVInc(PN, StepV, L, ExpandTy, IntTy, useSubtract);
1233
1234     if (isa<OverflowingBinaryOperator>(IncV)) {
1235       if (IncrementIsNUW)
1236         cast<BinaryOperator>(IncV)->setHasNoUnsignedWrap();
1237       if (IncrementIsNSW)
1238         cast<BinaryOperator>(IncV)->setHasNoSignedWrap();
1239     }
1240     PN->addIncoming(IncV, Pred);
1241   }
1242
1243   // After expanding subexpressions, restore the PostIncLoops set so the caller
1244   // can ensure that IVIncrement dominates the current uses.
1245   PostIncLoops = SavedPostIncLoops;
1246
1247   // Remember this PHI, even in post-inc mode.
1248   InsertedValues.insert(PN);
1249
1250   return PN;
1251 }
1252
1253 Value *SCEVExpander::expandAddRecExprLiterally(const SCEVAddRecExpr *S) {
1254   Type *STy = S->getType();
1255   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(STy);
1256   const Loop *L = S->getLoop();
1257
1258   // Determine a normalized form of this expression, which is the expression
1259   // before any post-inc adjustment is made.
1260   const SCEVAddRecExpr *Normalized = S;
1261   if (PostIncLoops.count(L)) {
1262     PostIncLoopSet Loops;
1263     Loops.insert(L);
1264     Normalized = cast<SCEVAddRecExpr>(TransformForPostIncUse(
1265         Normalize, S, nullptr, nullptr, Loops, SE, SE.DT));
1266   }
1267
1268   // Strip off any non-loop-dominating component from the addrec start.
1269   const SCEV *Start = Normalized->getStart();
1270   const SCEV *PostLoopOffset = nullptr;
1271   if (!SE.properlyDominates(Start, L->getHeader())) {
1272     PostLoopOffset = Start;
1273     Start = SE.getConstant(Normalized->getType(), 0);
1274     Normalized = cast<SCEVAddRecExpr>(
1275       SE.getAddRecExpr(Start, Normalized->getStepRecurrence(SE),
1276                        Normalized->getLoop(),
1277                        Normalized->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
1278   }
1279
1280   // Strip off any non-loop-dominating component from the addrec step.
1281   const SCEV *Step = Normalized->getStepRecurrence(SE);
1282   const SCEV *PostLoopScale = nullptr;
1283   if (!SE.dominates(Step, L->getHeader())) {
1284     PostLoopScale = Step;
1285     Step = SE.getConstant(Normalized->getType(), 1);
1286     Normalized =
1287       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getAddRecExpr(
1288                              Start, Step, Normalized->getLoop(),
1289                              Normalized->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
1290   }
1291
1292   // Expand the core addrec. If we need post-loop scaling, force it to
1293   // expand to an integer type to avoid the need for additional casting.
1294   Type *ExpandTy = PostLoopScale ? IntTy : STy;
1295   // In some cases, we decide to reuse an existing phi node but need to truncate
1296   // it and/or invert the step.
1297   Type *TruncTy = nullptr;
1298   bool InvertStep = false;
1299   PHINode *PN = getAddRecExprPHILiterally(Normalized, L, ExpandTy, IntTy,
1300                                           TruncTy, InvertStep);
1301
1302   // Accommodate post-inc mode, if necessary.
1303   Value *Result;
1304   if (!PostIncLoops.count(L))
1305     Result = PN;
1306   else {
1307     // In PostInc mode, use the post-incremented value.
1308     BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1309     assert(LatchBlock && "PostInc mode requires a unique loop latch!");
1310     Result = PN->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
1311
1312     // For an expansion to use the postinc form, the client must call
1313     // expandCodeFor with an InsertPoint that is either outside the PostIncLoop
1314     // or dominated by IVIncInsertPos.
1315     if (isa<Instruction>(Result) &&
1316         !SE.DT.dominates(cast<Instruction>(Result),
1317                          &*Builder.GetInsertPoint())) {
1318       // The induction variable's postinc expansion does not dominate this use.
1319       // IVUsers tries to prevent this case, so it is rare. However, it can
1320       // happen when an IVUser outside the loop is not dominated by the latch
1321       // block. Adjusting IVIncInsertPos before expansion begins cannot handle
1322       // all cases. Consider a phi outide whose operand is replaced during
1323       // expansion with the value of the postinc user. Without fundamentally
1324       // changing the way postinc users are tracked, the only remedy is
1325       // inserting an extra IV increment. StepV might fold into PostLoopOffset,
1326       // but hopefully expandCodeFor handles that.
1327       bool useSubtract =
1328         !ExpandTy->isPointerTy() && Step->isNonConstantNegative();
1329       if (useSubtract)
1330         Step = SE.getNegativeSCEV(Step);
1331       Value *StepV;
1332       {
1333         // Expand the step somewhere that dominates the loop header.
1334         BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1335         StepV = expandCodeFor(Step, IntTy, &L->getHeader()->front());
1336       }
1337       Result = expandIVInc(PN, StepV, L, ExpandTy, IntTy, useSubtract);
1338     }
1339   }
1340
1341   // We have decided to reuse an induction variable of a dominating loop. Apply
1342   // truncation and/or invertion of the step.
1343   if (TruncTy) {
1344     Type *ResTy = Result->getType();
1345     // Normalize the result type.
1346     if (ResTy != SE.getEffectiveSCEVType(ResTy))
1347       Result = InsertNoopCastOfTo(Result, SE.getEffectiveSCEVType(ResTy));
1348     // Truncate the result.
1349     if (TruncTy != Result->getType()) {
1350       Result = Builder.CreateTrunc(Result, TruncTy);
1351       rememberInstruction(Result);
1352     }
1353     // Invert the result.
1354     if (InvertStep) {
1355       Result = Builder.CreateSub(expandCodeFor(Normalized->getStart(), TruncTy),
1356                                  Result);
1357       rememberInstruction(Result);
1358     }
1359   }
1360
1361   // Re-apply any non-loop-dominating scale.
1362   if (PostLoopScale) {
1363     assert(S->isAffine() && "Can't linearly scale non-affine recurrences.");
1364     Result = InsertNoopCastOfTo(Result, IntTy);
1365     Result = Builder.CreateMul(Result,
1366                                expandCodeFor(PostLoopScale, IntTy));
1367     rememberInstruction(Result);
1368   }
1369
1370   // Re-apply any non-loop-dominating offset.
1371   if (PostLoopOffset) {
1372     if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(ExpandTy)) {
1373       const SCEV *const OffsetArray[1] = { PostLoopOffset };
1374       Result = expandAddToGEP(OffsetArray, OffsetArray+1, PTy, IntTy, Result);
1375     } else {
1376       Result = InsertNoopCastOfTo(Result, IntTy);
1377       Result = Builder.CreateAdd(Result,
1378                                  expandCodeFor(PostLoopOffset, IntTy));
1379       rememberInstruction(Result);
1380     }
1381   }
1382
1383   return Result;
1384 }
1385
1386 Value *SCEVExpander::visitAddRecExpr(const SCEVAddRecExpr *S) {
1387   if (!CanonicalMode) return expandAddRecExprLiterally(S);
1388
1389   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1390   const Loop *L = S->getLoop();
1391
1392   // First check for an existing canonical IV in a suitable type.
1393   PHINode *CanonicalIV = nullptr;
1394   if (PHINode *PN = L->getCanonicalInductionVariable())
1395     if (SE.getTypeSizeInBits(PN->getType()) >= SE.getTypeSizeInBits(Ty))
1396       CanonicalIV = PN;
1397
1398   // Rewrite an AddRec in terms of the canonical induction variable, if
1399   // its type is more narrow.
1400   if (CanonicalIV &&
1401       SE.getTypeSizeInBits(CanonicalIV->getType()) >
1402       SE.getTypeSizeInBits(Ty)) {
1403     SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps(S->getNumOperands());
1404     for (unsigned i = 0, e = S->getNumOperands(); i != e; ++i)
1405       NewOps[i] = SE.getAnyExtendExpr(S->op_begin()[i], CanonicalIV->getType());
1406     Value *V = expand(SE.getAddRecExpr(NewOps, S->getLoop(),
1407                                        S->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)));
1408     BasicBlock::iterator NewInsertPt =
1409         findInsertPointAfter(cast<Instruction>(V), Builder.GetInsertBlock());
1410     V = expandCodeFor(SE.getTruncateExpr(SE.getUnknown(V), Ty), nullptr,
1411                       &*NewInsertPt);
1412     return V;
1413   }
1414
1415   // {X,+,F} --> X + {0,+,F}
1416   if (!S->getStart()->isZero()) {
1417     SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps(S->op_begin(), S->op_end());
1418     NewOps[0] = SE.getConstant(Ty, 0);
1419     const SCEV *Rest = SE.getAddRecExpr(NewOps, L,
1420                                         S->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW));
1421
1422     // Turn things like ptrtoint+arithmetic+inttoptr into GEP. See the
1423     // comments on expandAddToGEP for details.
1424     const SCEV *Base = S->getStart();
1425     const SCEV *RestArray[1] = { Rest };
1426     // Dig into the expression to find the pointer base for a GEP.
1427     ExposePointerBase(Base, RestArray[0], SE);
1428     // If we found a pointer, expand the AddRec with a GEP.
1429     if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(Base->getType())) {
1430       // Make sure the Base isn't something exotic, such as a multiplied
1431       // or divided pointer value. In those cases, the result type isn't
1432       // actually a pointer type.
1433       if (!isa<SCEVMulExpr>(Base) && !isa<SCEVUDivExpr>(Base)) {
1434         Value *StartV = expand(Base);
1435         assert(StartV->getType() == PTy && "Pointer type mismatch for GEP!");
1436         return expandAddToGEP(RestArray, RestArray+1, PTy, Ty, StartV);
1437       }
1438     }
1439
1440     // Just do a normal add. Pre-expand the operands to suppress folding.
1441     return expand(SE.getAddExpr(SE.getUnknown(expand(S->getStart())),
1442                                 SE.getUnknown(expand(Rest))));
1443   }
1444
1445   // If we don't yet have a canonical IV, create one.
1446   if (!CanonicalIV) {
1447     // Create and insert the PHI node for the induction variable in the
1448     // specified loop.
1449     BasicBlock *Header = L->getHeader();
1450     pred_iterator HPB = pred_begin(Header), HPE = pred_end(Header);
1451     CanonicalIV = PHINode::Create(Ty, std::distance(HPB, HPE), "indvar",
1452                                   &Header->front());
1453     rememberInstruction(CanonicalIV);
1454
1455     SmallSet<BasicBlock *, 4> PredSeen;
1456     Constant *One = ConstantInt::get(Ty, 1);
1457     for (pred_iterator HPI = HPB; HPI != HPE; ++HPI) {
1458       BasicBlock *HP = *HPI;
1459       if (!PredSeen.insert(HP).second) {
1460         // There must be an incoming value for each predecessor, even the
1461         // duplicates!
1462         CanonicalIV->addIncoming(CanonicalIV->getIncomingValueForBlock(HP), HP);
1463         continue;
1464       }
1465
1466       if (L->contains(HP)) {
1467         // Insert a unit add instruction right before the terminator
1468         // corresponding to the back-edge.
1469         Instruction *Add = BinaryOperator::CreateAdd(CanonicalIV, One,
1470                                                      "indvar.next",
1471                                                      HP->getTerminator());
1472         Add->setDebugLoc(HP->getTerminator()->getDebugLoc());
1473         rememberInstruction(Add);
1474         CanonicalIV->addIncoming(Add, HP);
1475       } else {
1476         CanonicalIV->addIncoming(Constant::getNullValue(Ty), HP);
1477       }
1478     }
1479   }
1480
1481   // {0,+,1} --> Insert a canonical induction variable into the loop!
1482   if (S->isAffine() && S->getOperand(1)->isOne()) {
1483     assert(Ty == SE.getEffectiveSCEVType(CanonicalIV->getType()) &&
1484            "IVs with types different from the canonical IV should "
1485            "already have been handled!");
1486     return CanonicalIV;
1487   }
1488
1489   // {0,+,F} --> {0,+,1} * F
1490
1491   // If this is a simple linear addrec, emit it now as a special case.
1492   if (S->isAffine())    // {0,+,F} --> i*F
1493     return
1494       expand(SE.getTruncateOrNoop(
1495         SE.getMulExpr(SE.getUnknown(CanonicalIV),
1496                       SE.getNoopOrAnyExtend(S->getOperand(1),
1497                                             CanonicalIV->getType())),
1498         Ty));
1499
1500   // If this is a chain of recurrences, turn it into a closed form, using the
1501   // folders, then expandCodeFor the closed form.  This allows the folders to
1502   // simplify the expression without having to build a bunch of special code
1503   // into this folder.
1504   const SCEV *IH = SE.getUnknown(CanonicalIV);   // Get I as a "symbolic" SCEV.
1505
1506   // Promote S up to the canonical IV type, if the cast is foldable.
1507   const SCEV *NewS = S;
1508   const SCEV *Ext = SE.getNoopOrAnyExtend(S, CanonicalIV->getType());
1509   if (isa<SCEVAddRecExpr>(Ext))
1510     NewS = Ext;
1511
1512   const SCEV *V = cast<SCEVAddRecExpr>(NewS)->evaluateAtIteration(IH, SE);
1513   //cerr << "Evaluated: " << *this << "\n     to: " << *V << "\n";
1514
1515   // Truncate the result down to the original type, if needed.
1516   const SCEV *T = SE.getTruncateOrNoop(V, Ty);
1517   return expand(T);
1518 }
1519
1520 Value *SCEVExpander::visitTruncateExpr(const SCEVTruncateExpr *S) {
1521   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1522   Value *V = expandCodeFor(S->getOperand(),
1523                            SE.getEffectiveSCEVType(S->getOperand()->getType()));
1524   Value *I = Builder.CreateTrunc(V, Ty);
1525   rememberInstruction(I);
1526   return I;
1527 }
1528
1529 Value *SCEVExpander::visitZeroExtendExpr(const SCEVZeroExtendExpr *S) {
1530   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1531   Value *V = expandCodeFor(S->getOperand(),
1532                            SE.getEffectiveSCEVType(S->getOperand()->getType()));
1533   Value *I = Builder.CreateZExt(V, Ty);
1534   rememberInstruction(I);
1535   return I;
1536 }
1537
1538 Value *SCEVExpander::visitSignExtendExpr(const SCEVSignExtendExpr *S) {
1539   Type *Ty = SE.getEffectiveSCEVType(S->getType());
1540   Value *V = expandCodeFor(S->getOperand(),
1541                            SE.getEffectiveSCEVType(S->getOperand()->getType()));
1542   Value *I = Builder.CreateSExt(V, Ty);
1543   rememberInstruction(I);
1544   return I;
1545 }
1546
1547 Value *SCEVExpander::visitSMaxExpr(const SCEVSMaxExpr *S) {
1548   Value *LHS = expand(S->getOperand(S->getNumOperands()-1));
1549   Type *Ty = LHS->getType();
1550   for (int i = S->getNumOperands()-2; i >= 0; --i) {
1551     // In the case of mixed integer and pointer types, do the
1552     // rest of the comparisons as integer.
1553     if (S->getOperand(i)->getType() != Ty) {
1554       Ty = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
1555       LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, Ty);
1556     }
1557     Value *RHS = expandCodeFor(S->getOperand(i), Ty);
1558     Value *ICmp = Builder.CreateICmpSGT(LHS, RHS);
1559     rememberInstruction(ICmp);
1560     Value *Sel = Builder.CreateSelect(ICmp, LHS, RHS, "smax");
1561     rememberInstruction(Sel);
1562     LHS = Sel;
1563   }
1564   // In the case of mixed integer and pointer types, cast the
1565   // final result back to the pointer type.
1566   if (LHS->getType() != S->getType())
1567     LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, S->getType());
1568   return LHS;
1569 }
1570
1571 Value *SCEVExpander::visitUMaxExpr(const SCEVUMaxExpr *S) {
1572   Value *LHS = expand(S->getOperand(S->getNumOperands()-1));
1573   Type *Ty = LHS->getType();
1574   for (int i = S->getNumOperands()-2; i >= 0; --i) {
1575     // In the case of mixed integer and pointer types, do the
1576     // rest of the comparisons as integer.
1577     if (S->getOperand(i)->getType() != Ty) {
1578       Ty = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
1579       LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, Ty);
1580     }
1581     Value *RHS = expandCodeFor(S->getOperand(i), Ty);
1582     Value *ICmp = Builder.CreateICmpUGT(LHS, RHS);
1583     rememberInstruction(ICmp);
1584     Value *Sel = Builder.CreateSelect(ICmp, LHS, RHS, "umax");
1585     rememberInstruction(Sel);
1586     LHS = Sel;
1587   }
1588   // In the case of mixed integer and pointer types, cast the
1589   // final result back to the pointer type.
1590   if (LHS->getType() != S->getType())
1591     LHS = InsertNoopCastOfTo(LHS, S->getType());
1592   return LHS;
1593 }
1594
1595 Value *SCEVExpander::expandCodeFor(const SCEV *SH, Type *Ty,
1596                                    Instruction *IP) {
1597   assert(IP);
1598   Builder.SetInsertPoint(IP);
1599   return expandCodeFor(SH, Ty);
1600 }
1601
1602 Value *SCEVExpander::expandCodeFor(const SCEV *SH, Type *Ty) {
1603   // Expand the code for this SCEV.
1604   Value *V = expand(SH);
1605   if (Ty) {
1606     assert(SE.getTypeSizeInBits(Ty) == SE.getTypeSizeInBits(SH->getType()) &&
1607            "non-trivial casts should be done with the SCEVs directly!");
1608     V = InsertNoopCastOfTo(V, Ty);
1609   }
1610   return V;
1611 }
1612
1613 Value *SCEVExpander::expand(const SCEV *S) {
1614   // Compute an insertion point for this SCEV object. Hoist the instructions
1615   // as far out in the loop nest as possible.
1616   Instruction *InsertPt = &*Builder.GetInsertPoint();
1617   for (Loop *L = SE.LI.getLoopFor(Builder.GetInsertBlock());;
1618        L = L->getParentLoop())
1619     if (SE.isLoopInvariant(S, L)) {
1620       if (!L) break;
1621       if (BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader())
1622         InsertPt = Preheader->getTerminator();
1623       else {
1624         // LSR sets the insertion point for AddRec start/step values to the
1625         // block start to simplify value reuse, even though it's an invalid
1626         // position. SCEVExpander must correct for this in all cases.
1627         InsertPt = &*L->getHeader()->getFirstInsertionPt();
1628       }
1629     } else {
1630       // If the SCEV is computable at this level, insert it into the header
1631       // after the PHIs (and after any other instructions that we've inserted
1632       // there) so that it is guaranteed to dominate any user inside the loop.
1633       if (L && SE.hasComputableLoopEvolution(S, L) && !PostIncLoops.count(L))
1634         InsertPt = &*L->getHeader()->getFirstInsertionPt();
1635       while (InsertPt != Builder.GetInsertPoint()
1636              && (isInsertedInstruction(InsertPt)
1637                  || isa<DbgInfoIntrinsic>(InsertPt))) {
1638         InsertPt = &*std::next(InsertPt->getIterator());
1639       }
1640       break;
1641     }
1642
1643   // Check to see if we already expanded this here.
1644   auto I = InsertedExpressions.find(std::make_pair(S, InsertPt));
1645   if (I != InsertedExpressions.end())
1646     return I->second;
1647
1648   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1649   Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
1650
1651   // Expand the expression into instructions.
1652   Value *V = visit(S);
1653
1654   // Remember the expanded value for this SCEV at this location.
1655   //
1656   // This is independent of PostIncLoops. The mapped value simply materializes
1657   // the expression at this insertion point. If the mapped value happened to be
1658   // a postinc expansion, it could be reused by a non-postinc user, but only if
1659   // its insertion point was already at the head of the loop.
1660   InsertedExpressions[std::make_pair(S, InsertPt)] = V;
1661   return V;
1662 }
1663
1664 void SCEVExpander::rememberInstruction(Value *I) {
1665   if (!PostIncLoops.empty())
1666     InsertedPostIncValues.insert(I);
1667   else
1668     InsertedValues.insert(I);
1669 }
1670
1671 /// getOrInsertCanonicalInductionVariable - This method returns the
1672 /// canonical induction variable of the specified type for the specified
1673 /// loop (inserting one if there is none).  A canonical induction variable
1674 /// starts at zero and steps by one on each iteration.
1675 PHINode *
1676 SCEVExpander::getOrInsertCanonicalInductionVariable(const Loop *L,
1677                                                     Type *Ty) {
1678   assert(Ty->isIntegerTy() && "Can only insert integer induction variables!");
1679
1680   // Build a SCEV for {0,+,1}<L>.
1681   // Conservatively use FlagAnyWrap for now.
1682   const SCEV *H = SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(Ty, 0),
1683                                    SE.getConstant(Ty, 1), L, SCEV::FlagAnyWrap);
1684
1685   // Emit code for it.
1686   BuilderType::InsertPointGuard Guard(Builder);
1687   PHINode *V =
1688       cast<PHINode>(expandCodeFor(H, nullptr, &L->getHeader()->front()));
1689
1690   return V;
1691 }
1692
1693 /// replaceCongruentIVs - Check for congruent phis in this loop header and
1694 /// replace them with their most canonical representative. Return the number of
1695 /// phis eliminated.
1696 ///
1697 /// This does not depend on any SCEVExpander state but should be used in
1698 /// the same context that SCEVExpander is used.
1699 unsigned SCEVExpander::replaceCongruentIVs(Loop *L, const DominatorTree *DT,
1700                                            SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1701                                            const TargetTransformInfo *TTI) {
1702   // Find integer phis in order of increasing width.
1703   SmallVector<PHINode*, 8> Phis;
1704   for (auto &I : *L->getHeader()) {
1705     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I))
1706       Phis.push_back(PN);
1707     else
1708       break;
1709   }
1710
1711   if (TTI)
1712     std::sort(Phis.begin(), Phis.end(), [](Value *LHS, Value *RHS) {
1713       // Put pointers at the back and make sure pointer < pointer = false.
1714       if (!LHS->getType()->isIntegerTy() || !RHS->getType()->isIntegerTy())
1715         return RHS->getType()->isIntegerTy() && !LHS->getType()->isIntegerTy();
1716       return RHS->getType()->getPrimitiveSizeInBits() <
1717              LHS->getType()->getPrimitiveSizeInBits();
1718     });
1719
1720   unsigned NumElim = 0;
1721   DenseMap<const SCEV *, PHINode *> ExprToIVMap;
1722   // Process phis from wide to narrow. Map wide phis to their truncation
1723   // so narrow phis can reuse them.
1724   for (PHINode *Phi : Phis) {
1725     auto SimplifyPHINode = [&](PHINode *PN) -> Value * {
1726       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, &SE.TLI, &SE.DT, &SE.AC))
1727         return V;
1728       if (!SE.isSCEVable(PN->getType()))
1729         return nullptr;
1730       auto *Const = dyn_cast<SCEVConstant>(SE.getSCEV(PN));
1731       if (!Const)
1732         return nullptr;
1733       return Const->getValue();
1734     };
1735
1736     // Fold constant phis. They may be congruent to other constant phis and
1737     // would confuse the logic below that expects proper IVs.
1738     if (Value *V = SimplifyPHINode(Phi)) {
1739       if (V->getType() != Phi->getType())
1740         continue;
1741       Phi->replaceAllUsesWith(V);
1742       DeadInsts.emplace_back(Phi);
1743       ++NumElim;
1744       DEBUG_WITH_TYPE(DebugType, dbgs()
1745                       << "INDVARS: Eliminated constant iv: " << *Phi << '\n');
1746       continue;
1747     }
1748
1749     if (!SE.isSCEVable(Phi->getType()))
1750       continue;
1751
1752     PHINode *&OrigPhiRef = ExprToIVMap[SE.getSCEV(Phi)];
1753     if (!OrigPhiRef) {
1754       OrigPhiRef = Phi;
1755       if (Phi->getType()->isIntegerTy() && TTI
1756           && TTI->isTruncateFree(Phi->getType(), Phis.back()->getType())) {
1757         // This phi can be freely truncated to the narrowest phi type. Map the
1758         // truncated expression to it so it will be reused for narrow types.
1759         const SCEV *TruncExpr =
1760           SE.getTruncateExpr(SE.getSCEV(Phi), Phis.back()->getType());
1761         ExprToIVMap[TruncExpr] = Phi;
1762       }
1763       continue;
1764     }
1765
1766     // Replacing a pointer phi with an integer phi or vice-versa doesn't make
1767     // sense.
1768     if (OrigPhiRef->getType()->isPointerTy() != Phi->getType()->isPointerTy())
1769       continue;
1770
1771     if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1772       Instruction *OrigInc =
1773         cast<Instruction>(OrigPhiRef->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1774       Instruction *IsomorphicInc =
1775         cast<Instruction>(Phi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1776
1777       // If this phi has the same width but is more canonical, replace the
1778       // original with it. As part of the "more canonical" determination,
1779       // respect a prior decision to use an IV chain.
1780       if (OrigPhiRef->getType() == Phi->getType()
1781           && !(ChainedPhis.count(Phi)
1782                || isExpandedAddRecExprPHI(OrigPhiRef, OrigInc, L))
1783           && (ChainedPhis.count(Phi)
1784               || isExpandedAddRecExprPHI(Phi, IsomorphicInc, L))) {
1785         std::swap(OrigPhiRef, Phi);
1786         std::swap(OrigInc, IsomorphicInc);
1787       }
1788       // Replacing the congruent phi is sufficient because acyclic redundancy
1789       // elimination, CSE/GVN, should handle the rest. However, once SCEV proves
1790       // that a phi is congruent, it's often the head of an IV user cycle that
1791       // is isomorphic with the original phi. It's worth eagerly cleaning up the
1792       // common case of a single IV increment so that DeleteDeadPHIs can remove
1793       // cycles that had postinc uses.
1794       const SCEV *TruncExpr = SE.getTruncateOrNoop(SE.getSCEV(OrigInc),
1795                                                    IsomorphicInc->getType());
1796       if (OrigInc != IsomorphicInc
1797           && TruncExpr == SE.getSCEV(IsomorphicInc)
1798           && ((isa<PHINode>(OrigInc) && isa<PHINode>(IsomorphicInc))
1799               || hoistIVInc(OrigInc, IsomorphicInc))) {
1800         DEBUG_WITH_TYPE(DebugType, dbgs()
1801                         << "INDVARS: Eliminated congruent iv.inc: "
1802                         << *IsomorphicInc << '\n');
1803         Value *NewInc = OrigInc;
1804         if (OrigInc->getType() != IsomorphicInc->getType()) {
1805           Instruction *IP = nullptr;
1806           if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(OrigInc))
1807             IP = &*PN->getParent()->getFirstInsertionPt();
1808           else
1809             IP = OrigInc->getNextNode();
1810
1811           IRBuilder<> Builder(IP);
1812           Builder.SetCurrentDebugLocation(IsomorphicInc->getDebugLoc());
1813           NewInc = Builder.
1814             CreateTruncOrBitCast(OrigInc, IsomorphicInc->getType(), IVName);
1815         }
1816         IsomorphicInc->replaceAllUsesWith(NewInc);
1817         DeadInsts.emplace_back(IsomorphicInc);
1818       }
1819     }
1820     DEBUG_WITH_TYPE(DebugType, dbgs()
1821                     << "INDVARS: Eliminated congruent iv: " << *Phi << '\n');
1822     ++NumElim;
1823     Value *NewIV = OrigPhiRef;
1824     if (OrigPhiRef->getType() != Phi->getType()) {
1825       IRBuilder<> Builder(&*L->getHeader()->getFirstInsertionPt());
1826       Builder.SetCurrentDebugLocation(Phi->getDebugLoc());
1827       NewIV = Builder.CreateTruncOrBitCast(OrigPhiRef, Phi->getType(), IVName);
1828     }
1829     Phi->replaceAllUsesWith(NewIV);
1830     DeadInsts.emplace_back(Phi);
1831   }
1832   return NumElim;
1833 }
1834
1835 Value *SCEVExpander::findExistingExpansion(const SCEV *S,
1836                                            const Instruction *At, Loop *L) {
1837   using namespace llvm::PatternMatch;
1838
1839   SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
1840   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
1841
1842   // Look for suitable value in simple conditions at the loop exits.
1843   for (BasicBlock *BB : ExitingBlocks) {
1844     ICmpInst::Predicate Pred;
1845     Instruction *LHS, *RHS;
1846     BasicBlock *TrueBB, *FalseBB;
1847
1848     if (!match(BB->getTerminator(),
1849                m_Br(m_ICmp(Pred, m_Instruction(LHS), m_Instruction(RHS)),
1850                     TrueBB, FalseBB)))
1851       continue;
1852
1853     if (SE.getSCEV(LHS) == S && SE.DT.dominates(LHS, At))
1854       return LHS;
1855
1856     if (SE.getSCEV(RHS) == S && SE.DT.dominates(RHS, At))
1857       return RHS;
1858   }
1859
1860   // There is potential to make this significantly smarter, but this simple
1861   // heuristic already gets some interesting cases.
1862
1863   // Can not find suitable value.
1864   return nullptr;
1865 }
1866
1867 bool SCEVExpander::isHighCostExpansionHelper(
1868     const SCEV *S, Loop *L, const Instruction *At,
1869     SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Processed) {
1870
1871   // If we can find an existing value for this scev avaliable at the point "At"
1872   // then consider the expression cheap.
1873   if (At && findExistingExpansion(S, At, L) != nullptr)
1874     return false;
1875
1876   // Zero/One operand expressions
1877   switch (S->getSCEVType()) {
1878   case scUnknown:
1879   case scConstant:
1880     return false;
1881   case scTruncate:
1882     return isHighCostExpansionHelper(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand(),
1883                                      L, At, Processed);
1884   case scZeroExtend:
1885     return isHighCostExpansionHelper(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand(),
1886                                      L, At, Processed);
1887   case scSignExtend:
1888     return isHighCostExpansionHelper(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand(),
1889                                      L, At, Processed);
1890   }
1891
1892   if (!Processed.insert(S).second)
1893     return false;
1894
1895   if (auto *UDivExpr = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
1896     // If the divisor is a power of two and the SCEV type fits in a native
1897     // integer, consider the division cheap irrespective of whether it occurs in
1898     // the user code since it can be lowered into a right shift.
1899     if (auto *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UDivExpr->getRHS()))
1900       if (SC->getValue()->getValue().isPowerOf2()) {
1901         const DataLayout &DL =
1902             L->getHeader()->getParent()->getParent()->getDataLayout();
1903         unsigned Width = cast<IntegerType>(UDivExpr->getType())->getBitWidth();
1904         return DL.isIllegalInteger(Width);
1905       }
1906
1907     // UDivExpr is very likely a UDiv that ScalarEvolution's HowFarToZero or
1908     // HowManyLessThans produced to compute a precise expression, rather than a
1909     // UDiv from the user's code. If we can't find a UDiv in the code with some
1910     // simple searching, assume the former consider UDivExpr expensive to
1911     // compute.
1912     BasicBlock *ExitingBB = L->getExitingBlock();
1913     if (!ExitingBB)
1914       return true;
1915
1916     // At the beginning of this function we already tried to find existing value
1917     // for plain 'S'. Now try to lookup 'S + 1' since it is common pattern
1918     // involving division. This is just a simple search heuristic.
1919     if (!At)
1920       At = &ExitingBB->back();
1921     if (!findExistingExpansion(
1922             SE.getAddExpr(S, SE.getConstant(S->getType(), 1)), At, L))
1923       return true;
1924   }
1925
1926   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1927   // the exit condition.
1928   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1929     return true;
1930
1931   // Recurse past nary expressions, which commonly occur in the
1932   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1933   // they are not too expensive rematerialize.
1934   if (const SCEVNAryExpr *NAry = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S)) {
1935     for (auto *Op : NAry->operands())
1936       if (isHighCostExpansionHelper(Op, L, At, Processed))
1937         return true;
1938   }
1939
1940   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1941   // expression produced by program code.
1942   return false;
1943 }
1944
1945 Value *SCEVExpander::expandCodeForPredicate(const SCEVPredicate *Pred,
1946                                             Instruction *IP) {
1947   assert(IP);
1948   switch (Pred->getKind()) {
1949   case SCEVPredicate::P_Union:
1950     return expandUnionPredicate(cast<SCEVUnionPredicate>(Pred), IP);
1951   case SCEVPredicate::P_Equal:
1952     return expandEqualPredicate(cast<SCEVEqualPredicate>(Pred), IP);
1953   }
1954   llvm_unreachable("Unknown SCEV predicate type");
1955 }
1956
1957 Value *SCEVExpander::expandEqualPredicate(const SCEVEqualPredicate *Pred,
1958                                           Instruction *IP) {
1959   Value *Expr0 = expandCodeFor(Pred->getLHS(), Pred->getLHS()->getType(), IP);
1960   Value *Expr1 = expandCodeFor(Pred->getRHS(), Pred->getRHS()->getType(), IP);
1961
1962   Builder.SetInsertPoint(IP);
1963   auto *I = Builder.CreateICmpNE(Expr0, Expr1, "ident.check");
1964   return I;
1965 }
1966
1967 Value *SCEVExpander::expandUnionPredicate(const SCEVUnionPredicate *Union,
1968                                           Instruction *IP) {
1969   auto *BoolType = IntegerType::get(IP->getContext(), 1);
1970   Value *Check = ConstantInt::getNullValue(BoolType);
1971
1972   // Loop over all checks in this set.
1973   for (auto Pred : Union->getPredicates()) {
1974     auto *NextCheck = expandCodeForPredicate(Pred, IP);
1975     Builder.SetInsertPoint(IP);
1976     Check = Builder.CreateOr(Check, NextCheck);
1977   }
1978
1979   return Check;
1980 }
1981
1982 namespace {
1983 // Search for a SCEV subexpression that is not safe to expand.  Any expression
1984 // that may expand to a !isSafeToSpeculativelyExecute value is unsafe, namely
1985 // UDiv expressions. We don't know if the UDiv is derived from an IR divide
1986 // instruction, but the important thing is that we prove the denominator is
1987 // nonzero before expansion.
1988 //
1989 // IVUsers already checks that IV-derived expressions are safe. So this check is
1990 // only needed when the expression includes some subexpression that is not IV
1991 // derived.
1992 //
1993 // Currently, we only allow division by a nonzero constant here. If this is
1994 // inadequate, we could easily allow division by SCEVUnknown by using
1995 // ValueTracking to check isKnownNonZero().
1996 //
1997 // We cannot generally expand recurrences unless the step dominates the loop
1998 // header. The expander handles the special case of affine recurrences by
1999 // scaling the recurrence outside the loop, but this technique isn't generally
2000 // applicable. Expanding a nested recurrence outside a loop requires computing
2001 // binomial coefficients. This could be done, but the recurrence has to be in a
2002 // perfectly reduced form, which can't be guaranteed.
2003 struct SCEVFindUnsafe {
2004   ScalarEvolution &SE;
2005   bool IsUnsafe;
2006
2007   SCEVFindUnsafe(ScalarEvolution &se): SE(se), IsUnsafe(false) {}
2008
2009   bool follow(const SCEV *S) {
2010     if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
2011       const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(D->getRHS());
2012       if (!SC || SC->getValue()->isZero()) {
2013         IsUnsafe = true;
2014         return false;
2015       }
2016     }
2017     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2018       const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(SE);
2019       if (!AR->isAffine() && !SE.dominates(Step, AR->getLoop()->getHeader())) {
2020         IsUnsafe = true;
2021         return false;
2022       }
2023     }
2024     return true;
2025   }
2026   bool isDone() const { return IsUnsafe; }
2027 };
2028 }
2029
2030 namespace llvm {
2031 bool isSafeToExpand(const SCEV *S, ScalarEvolution &SE) {
2032   SCEVFindUnsafe Search(SE);
2033   visitAll(S, Search);
2034   return !Search.IsUnsafe;
2035 }
2036 }