lib/Transforms/InstCombine/InstCombineAddSub.cpp

   1 //===- InstCombineAddSub.cpp ----------------------------------------------===//
   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 implements the visit functions for add, fadd, sub, and fsub.
  11 //
  12 //===----------------------------------------------------------------------===//
  13
  14 #include "InstCombine.h"
  15 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  16 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  17 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  18 #include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
  19 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
  20 using namespace llvm;
  21 using namespace PatternMatch;
  22
  23 #define DEBUG_TYPE "instcombine"
  24
  25 namespace {
  26
  27   /// Class representing coefficient of floating-point addend.
  28   /// This class needs to be highly efficient, which is especially true for
  29   /// the constructor. As of I write this comment, the cost of the default
  30   /// constructor is merely 4-byte-store-zero (Assuming compiler is able to
  31   /// perform write-merging).
  32   ///
  33   class FAddendCoef {
  34   public:
  35     // The constructor has to initialize a APFloat, which is uncessary for
  36     // most addends which have coefficient either 1 or -1. So, the constructor
  37     // is expensive. In order to avoid the cost of the constructor, we should
  38     // reuse some instances whenever possible. The pre-created instances
  39     // FAddCombine::Add[0-5] embodies this idea.
  40     //
  41     FAddendCoef() : IsFp(false), BufHasFpVal(false), IntVal(0) {}
  42     ~FAddendCoef();
  43
  44     void set(short C) {
  45       assert(!insaneIntVal(C) && "Insane coefficient");
  46       IsFp = false; IntVal = C;
  47     }
  48
  49     void set(const APFloat& C);
  50
  51     void negate();
  52
  53     bool isZero() const { return isInt() ? !IntVal : getFpVal().isZero(); }
  54     Value *getValue(Type *) const;
  55
  56     // If possible, don't define operator+/operator- etc because these
  57     // operators inevitably call FAddendCoef's constructor which is not cheap.
  58     void operator=(const FAddendCoef &A);
  59     void operator+=(const FAddendCoef &A);
  60     void operator-=(const FAddendCoef &A);
  61     void operator*=(const FAddendCoef &S);
  62
  63     bool isOne() const { return isInt() && IntVal == 1; }
  64     bool isTwo() const { return isInt() && IntVal == 2; }
  65     bool isMinusOne() const { return isInt() && IntVal == -1; }
  66     bool isMinusTwo() const { return isInt() && IntVal == -2; }
  67
  68   private:
  69     bool insaneIntVal(int V) { return V > 4 || V < -4; }
  70     APFloat *getFpValPtr(void)
  71       { return reinterpret_cast<APFloat*>(&FpValBuf.buffer[0]); }
  72     const APFloat *getFpValPtr(void) const
  73       { return reinterpret_cast<const APFloat*>(&FpValBuf.buffer[0]); }
  74
  75     const APFloat &getFpVal(void) const {
  76       assert(IsFp && BufHasFpVal && "Incorret state");
  77       return *getFpValPtr();
  78     }
  79
  80     APFloat &getFpVal(void) {
  81       assert(IsFp && BufHasFpVal && "Incorret state");
  82       return *getFpValPtr();
  83     }
  84
  85     bool isInt() const { return !IsFp; }
  86
  87     // If the coefficient is represented by an integer, promote it to a
  88     // floating point.
  89     void convertToFpType(const fltSemantics &Sem);
  90
  91     // Construct an APFloat from a signed integer.
  92     // TODO: We should get rid of this function when APFloat can be constructed
  93     //       from an *SIGNED* integer.
  94     APFloat createAPFloatFromInt(const fltSemantics &Sem, int Val);
  95   private:
  96
  97     bool IsFp;
  98
  99     // True iff FpValBuf contains an instance of APFloat.
 100     bool BufHasFpVal;
 101
 102     // The integer coefficient of an individual addend is either 1 or -1,
 103     // and we try to simplify at most 4 addends from neighboring at most
 104     // two instructions. So the range of <IntVal> falls in [-4, 4]. APInt
 105     // is overkill of this end.
 106     short IntVal;
 107
 108     AlignedCharArrayUnion<APFloat> FpValBuf;
 109   };
 110
 111   /// FAddend is used to represent floating-point addend. An addend is
 112   /// represented as <C, V>, where the V is a symbolic value, and C is a
 113   /// constant coefficient. A constant addend is represented as <C, 0>.
 114   ///
 115   class FAddend {
 116   public:
 117     FAddend() { Val = nullptr; }
 118
 119     Value *getSymVal (void) const { return Val; }
 120     const FAddendCoef &getCoef(void) const { return Coeff; }
 121
 122     bool isConstant() const { return Val == nullptr; }
 123     bool isZero() const { return Coeff.isZero(); }
 124
 125     void set(short Coefficient, Value *V) { Coeff.set(Coefficient), Val = V; }
 126     void set(const APFloat& Coefficient, Value *V)
 127       { Coeff.set(Coefficient); Val = V; }
 128     void set(const ConstantFP* Coefficient, Value *V)
 129       { Coeff.set(Coefficient->getValueAPF()); Val = V; }
 130
 131     void negate() { Coeff.negate(); }
 132
 133     /// Drill down the U-D chain one step to find the definition of V, and
 134     /// try to break the definition into one or two addends.
 135     static unsigned drillValueDownOneStep(Value* V, FAddend &A0, FAddend &A1);
 136
 137     /// Similar to FAddend::drillDownOneStep() except that the value being
 138     /// splitted is the addend itself.
 139     unsigned drillAddendDownOneStep(FAddend &Addend0, FAddend &Addend1) const;
 140
 141     void operator+=(const FAddend &T) {
 142       assert((Val == T.Val) && "Symbolic-values disagree");
 143       Coeff += T.Coeff;
 144     }
 145
 146   private:
 147     void Scale(const FAddendCoef& ScaleAmt) { Coeff *= ScaleAmt; }
 148
 149     // This addend has the value of "Coeff * Val".
 150     Value *Val;
 151     FAddendCoef Coeff;
 152   };
 153
 154   /// FAddCombine is the class for optimizing an unsafe fadd/fsub along
 155   /// with its neighboring at most two instructions.
 156   ///
 157   class FAddCombine {
 158   public:
 159     FAddCombine(InstCombiner::BuilderTy *B) : Builder(B), Instr(nullptr) {}
 160     Value *simplify(Instruction *FAdd);
 161
 162   private:
 163     typedef SmallVector<const FAddend*, 4> AddendVect;
 164
 165     Value *simplifyFAdd(AddendVect& V, unsigned InstrQuota);
 166
 167     Value *performFactorization(Instruction *I);
 168
 169     /// Convert given addend to a Value
 170     Value *createAddendVal(const FAddend &A, bool& NeedNeg);
 171
 172     /// Return the number of instructions needed to emit the N-ary addition.
 173     unsigned calcInstrNumber(const AddendVect& Vect);
 174     Value *createFSub(Value *Opnd0, Value *Opnd1);
 175     Value *createFAdd(Value *Opnd0, Value *Opnd1);
 176     Value *createFMul(Value *Opnd0, Value *Opnd1);
 177     Value *createFDiv(Value *Opnd0, Value *Opnd1);
 178     Value *createFNeg(Value *V);
 179     Value *createNaryFAdd(const AddendVect& Opnds, unsigned InstrQuota);
 180     void createInstPostProc(Instruction *NewInst, bool NoNumber = false);
 181
 182     InstCombiner::BuilderTy *Builder;
 183     Instruction *Instr;
 184
 185   private:
 186      // Debugging stuff are clustered here.
 187     #ifndef NDEBUG
 188       unsigned CreateInstrNum;
 189       void initCreateInstNum() { CreateInstrNum = 0; }
 190       void incCreateInstNum() { CreateInstrNum++; }
 191     #else
 192       void initCreateInstNum() {}
 193       void incCreateInstNum() {}
 194     #endif
 195   };
 196 }
 197
 198 //===----------------------------------------------------------------------===//
 199 //
 200 // Implementation of
 201 //    {FAddendCoef, FAddend, FAddition, FAddCombine}.
 202 //
 203 //===----------------------------------------------------------------------===//
 204 FAddendCoef::~FAddendCoef() {
 205   if (BufHasFpVal)
 206     getFpValPtr()->~APFloat();
 207 }
 208
 209 void FAddendCoef::set(const APFloat& C) {
 210   APFloat *P = getFpValPtr();
 211
 212   if (isInt()) {
 213     // As the buffer is meanless byte stream, we cannot call
 214     // APFloat::operator=().
 215     new(P) APFloat(C);
 216   } else
 217     *P = C;
 218
 219   IsFp = BufHasFpVal = true;
 220 }
 221
 222 void FAddendCoef::convertToFpType(const fltSemantics &Sem) {
 223   if (!isInt())
 224     return;
 225
 226   APFloat *P = getFpValPtr();
 227   if (IntVal > 0)
 228     new(P) APFloat(Sem, IntVal);
 229   else {
 230     new(P) APFloat(Sem, 0 - IntVal);
 231     P->changeSign();
 232   }
 233   IsFp = BufHasFpVal = true;
 234 }
 235
 236 APFloat FAddendCoef::createAPFloatFromInt(const fltSemantics &Sem, int Val) {
 237   if (Val >= 0)
 238     return APFloat(Sem, Val);
 239
 240   APFloat T(Sem, 0 - Val);
 241   T.changeSign();
 242
 243   return T;
 244 }
 245
 246 void FAddendCoef::operator=(const FAddendCoef &That) {
 247   if (That.isInt())
 248     set(That.IntVal);
 249   else
 250     set(That.getFpVal());
 251 }
 252
 253 void FAddendCoef::operator+=(const FAddendCoef &That) {
 254   enum APFloat::roundingMode RndMode = APFloat::rmNearestTiesToEven;
 255   if (isInt() == That.isInt()) {
 256     if (isInt())
 257       IntVal += That.IntVal;
 258     else
 259       getFpVal().add(That.getFpVal(), RndMode);
 260     return;
 261   }
 262
 263   if (isInt()) {
 264     const APFloat &T = That.getFpVal();
 265     convertToFpType(T.getSemantics());
 266     getFpVal().add(T, RndMode);
 267     return;
 268   }
 269
 270   APFloat &T = getFpVal();
 271   T.add(createAPFloatFromInt(T.getSemantics(), That.IntVal), RndMode);
 272 }
 273
 274 void FAddendCoef::operator-=(const FAddendCoef &That) {
 275   enum APFloat::roundingMode RndMode = APFloat::rmNearestTiesToEven;
 276   if (isInt() == That.isInt()) {
 277     if (isInt())
 278       IntVal -= That.IntVal;
 279     else
 280       getFpVal().subtract(That.getFpVal(), RndMode);
 281     return;
 282   }
 283
 284   if (isInt()) {
 285     const APFloat &T = That.getFpVal();
 286     convertToFpType(T.getSemantics());
 287     getFpVal().subtract(T, RndMode);
 288     return;
 289   }
 290
 291   APFloat &T = getFpVal();
 292   T.subtract(createAPFloatFromInt(T.getSemantics(), IntVal), RndMode);
 293 }
 294
 295 void FAddendCoef::operator*=(const FAddendCoef &That) {
 296   if (That.isOne())
 297     return;
 298
 299   if (That.isMinusOne()) {
 300     negate();
 301     return;
 302   }
 303
 304   if (isInt() && That.isInt()) {
 305     int Res = IntVal * (int)That.IntVal;
 306     assert(!insaneIntVal(Res) && "Insane int value");
 307     IntVal = Res;
 308     return;
 309   }
 310
 311   const fltSemantics &Semantic =
 312     isInt() ? That.getFpVal().getSemantics() : getFpVal().getSemantics();
 313
 314   if (isInt())
 315     convertToFpType(Semantic);
 316   APFloat &F0 = getFpVal();
 317
 318   if (That.isInt())
 319     F0.multiply(createAPFloatFromInt(Semantic, That.IntVal),
 320                 APFloat::rmNearestTiesToEven);
 321   else
 322     F0.multiply(That.getFpVal(), APFloat::rmNearestTiesToEven);
 323
 324   return;
 325 }
 326
 327 void FAddendCoef::negate() {
 328   if (isInt())
 329     IntVal = 0 - IntVal;
 330   else
 331     getFpVal().changeSign();
 332 }
 333
 334 Value *FAddendCoef::getValue(Type *Ty) const {
 335   return isInt() ?
 336     ConstantFP::get(Ty, float(IntVal)) :
 337     ConstantFP::get(Ty->getContext(), getFpVal());
 338 }
 339
 340 // The definition of <Val>     Addends
 341 // =========================================
 342 //  A + B                     <1, A>, <1,B>
 343 //  A - B                     <1, A>, <1,B>
 344 //  0 - B                     <-1, B>
 345 //  C * A,                    <C, A>
 346 //  A + C                     <1, A> <C, NULL>
 347 //  0 +/- 0                   <0, NULL> (corner case)
 348 //
 349 // Legend: A and B are not constant, C is constant
 350 //
 351 unsigned FAddend::drillValueDownOneStep
 352   (Value *Val, FAddend &Addend0, FAddend &Addend1) {
 353   Instruction *I = nullptr;
 354   if (!Val || !(I = dyn_cast<Instruction>(Val)))
 355     return 0;
 356
 357   unsigned Opcode = I->getOpcode();
 358
 359   if (Opcode == Instruction::FAdd || Opcode == Instruction::FSub) {
 360     ConstantFP *C0, *C1;
 361     Value *Opnd0 = I->getOperand(0);
 362     Value *Opnd1 = I->getOperand(1);
 363     if ((C0 = dyn_cast<ConstantFP>(Opnd0)) && C0->isZero())
 364       Opnd0 = nullptr;
 365
 366     if ((C1 = dyn_cast<ConstantFP>(Opnd1)) && C1->isZero())
 367       Opnd1 = nullptr;
 368
 369     if (Opnd0) {
 370       if (!C0)
 371         Addend0.set(1, Opnd0);
 372       else
 373         Addend0.set(C0, nullptr);
 374     }
 375
 376     if (Opnd1) {
 377       FAddend &Addend = Opnd0 ? Addend1 : Addend0;
 378       if (!C1)
 379         Addend.set(1, Opnd1);
 380       else
 381         Addend.set(C1, nullptr);
 382       if (Opcode == Instruction::FSub)
 383         Addend.negate();
 384     }
 385
 386     if (Opnd0 || Opnd1)
 387       return Opnd0 && Opnd1 ? 2 : 1;
 388
 389     // Both operands are zero. Weird!
 390     Addend0.set(APFloat(C0->getValueAPF().getSemantics()), nullptr);
 391     return 1;
 392   }
 393
 394   if (I->getOpcode() == Instruction::FMul) {
 395     Value *V0 = I->getOperand(0);
 396     Value *V1 = I->getOperand(1);
 397     if (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V0)) {
 398       Addend0.set(C, V1);
 399       return 1;
 400     }
 401
 402     if (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V1)) {
 403       Addend0.set(C, V0);
 404       return 1;
 405     }
 406   }
 407
 408   return 0;
 409 }
 410
 411 // Try to break *this* addend into two addends. e.g. Suppose this addend is
 412 // <2.3, V>, and V = X + Y, by calling this function, we obtain two addends,
 413 // i.e. <2.3, X> and <2.3, Y>.
 414 //
 415 unsigned FAddend::drillAddendDownOneStep
 416   (FAddend &Addend0, FAddend &Addend1) const {
 417   if (isConstant())
 418     return 0;
 419
 420   unsigned BreakNum = FAddend::drillValueDownOneStep(Val, Addend0, Addend1);
 421   if (!BreakNum || Coeff.isOne())
 422     return BreakNum;
 423
 424   Addend0.Scale(Coeff);
 425
 426   if (BreakNum == 2)
 427     Addend1.Scale(Coeff);
 428
 429   return BreakNum;
 430 }
 431
 432 // Try to perform following optimization on the input instruction I. Return the
 433 // simplified expression if was successful; otherwise, return 0.
 434 //
 435 //   Instruction "I" is                Simplified into
 436 // -------------------------------------------------------
 437 //   (x * y) +/- (x * z)               x * (y +/- z)
 438 //   (y / x) +/- (z / x)               (y +/- z) / x
 439 //
 440 Value *FAddCombine::performFactorization(Instruction *I) {
 441   assert((I->getOpcode() == Instruction::FAdd ||
 442           I->getOpcode() == Instruction::FSub) && "Expect add/sub");
 443
 444   Instruction *I0 = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(0));
 445   Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(1));
 446
 447   if (!I0 || !I1 || I0->getOpcode() != I1->getOpcode())
 448     return nullptr;
 449
 450   bool isMpy = false;
 451   if (I0->getOpcode() == Instruction::FMul)
 452     isMpy = true;
 453   else if (I0->getOpcode() != Instruction::FDiv)
 454     return nullptr;
 455
 456   Value *Opnd0_0 = I0->getOperand(0);
 457   Value *Opnd0_1 = I0->getOperand(1);
 458   Value *Opnd1_0 = I1->getOperand(0);
 459   Value *Opnd1_1 = I1->getOperand(1);
 460
 461   //  Input Instr I       Factor   AddSub0  AddSub1
 462   //  ----------------------------------------------
 463   // (x*y) +/- (x*z)        x        y         z
 464   // (y/x) +/- (z/x)        x        y         z
 465   //
 466   Value *Factor = nullptr;
 467   Value *AddSub0 = nullptr, *AddSub1 = nullptr;
 468
 469   if (isMpy) {
 470     if (Opnd0_0 == Opnd1_0 || Opnd0_0 == Opnd1_1)
 471       Factor = Opnd0_0;
 472     else if (Opnd0_1 == Opnd1_0 || Opnd0_1 == Opnd1_1)
 473       Factor = Opnd0_1;
 474
 475     if (Factor) {
 476       AddSub0 = (Factor == Opnd0_0) ? Opnd0_1 : Opnd0_0;
 477       AddSub1 = (Factor == Opnd1_0) ? Opnd1_1 : Opnd1_0;
 478     }
 479   } else if (Opnd0_1 == Opnd1_1) {
 480     Factor = Opnd0_1;
 481     AddSub0 = Opnd0_0;
 482     AddSub1 = Opnd1_0;
 483   }
 484
 485   if (!Factor)
 486     return nullptr;
 487
 488   FastMathFlags Flags;
 489   Flags.setUnsafeAlgebra();
 490   if (I0) Flags &= I->getFastMathFlags();
 491   if (I1) Flags &= I->getFastMathFlags();
 492
 493   // Create expression "NewAddSub = AddSub0 +/- AddsSub1"
 494   Value *NewAddSub = (I->getOpcode() == Instruction::FAdd) ?
 495                       createFAdd(AddSub0, AddSub1) :
 496                       createFSub(AddSub0, AddSub1);
 497   if (ConstantFP *CFP = dyn_cast<ConstantFP>(NewAddSub)) {
 498     const APFloat &F = CFP->getValueAPF();
 499     if (!F.isNormal())
 500       return nullptr;
 501   } else if (Instruction *II = dyn_cast<Instruction>(NewAddSub))
 502     II->setFastMathFlags(Flags);
 503
 504   if (isMpy) {
 505     Value *RI = createFMul(Factor, NewAddSub);
 506     if (Instruction *II = dyn_cast<Instruction>(RI))
 507       II->setFastMathFlags(Flags);
 508     return RI;
 509   }
 510
 511   Value *RI = createFDiv(NewAddSub, Factor);
 512   if (Instruction *II = dyn_cast<Instruction>(RI))
 513     II->setFastMathFlags(Flags);
 514   return RI;
 515 }
 516
 517 Value *FAddCombine::simplify(Instruction *I) {
 518   assert(I->hasUnsafeAlgebra() && "Should be in unsafe mode");
 519
 520   // Currently we are not able to handle vector type.
 521   if (I->getType()->isVectorTy())
 522     return nullptr;
 523
 524   assert((I->getOpcode() == Instruction::FAdd ||
 525           I->getOpcode() == Instruction::FSub) && "Expect add/sub");
 526
 527   // Save the instruction before calling other member-functions.
 528   Instr = I;
 529
 530   FAddend Opnd0, Opnd1, Opnd0_0, Opnd0_1, Opnd1_0, Opnd1_1;
 531
 532   unsigned OpndNum = FAddend::drillValueDownOneStep(I, Opnd0, Opnd1);
 533
 534   // Step 1: Expand the 1st addend into Opnd0_0 and Opnd0_1.
 535   unsigned Opnd0_ExpNum = 0;
 536   unsigned Opnd1_ExpNum = 0;
 537
 538   if (!Opnd0.isConstant())
 539     Opnd0_ExpNum = Opnd0.drillAddendDownOneStep(Opnd0_0, Opnd0_1);
 540
 541   // Step 2: Expand the 2nd addend into Opnd1_0 and Opnd1_1.
 542   if (OpndNum == 2 && !Opnd1.isConstant())
 543     Opnd1_ExpNum = Opnd1.drillAddendDownOneStep(Opnd1_0, Opnd1_1);
 544
 545   // Step 3: Try to optimize Opnd0_0 + Opnd0_1 + Opnd1_0 + Opnd1_1
 546   if (Opnd0_ExpNum && Opnd1_ExpNum) {
 547     AddendVect AllOpnds;
 548     AllOpnds.push_back(&Opnd0_0);
 549     AllOpnds.push_back(&Opnd1_0);
 550     if (Opnd0_ExpNum == 2)
 551       AllOpnds.push_back(&Opnd0_1);
 552     if (Opnd1_ExpNum == 2)
 553       AllOpnds.push_back(&Opnd1_1);
 554
 555     // Compute instruction quota. We should save at least one instruction.
 556     unsigned InstQuota = 0;
 557
 558     Value *V0 = I->getOperand(0);
 559     Value *V1 = I->getOperand(1);
 560     InstQuota = ((!isa<Constant>(V0) && V0->hasOneUse()) &&
 561                  (!isa<Constant>(V1) && V1->hasOneUse())) ? 2 : 1;
 562
 563     if (Value *R = simplifyFAdd(AllOpnds, InstQuota))
 564       return R;
 565   }
 566
 567   if (OpndNum != 2) {
 568     // The input instruction is : "I=0.0 +/- V". If the "V" were able to be
 569     // splitted into two addends, say "V = X - Y", the instruction would have
 570     // been optimized into "I = Y - X" in the previous steps.
 571     //
 572     const FAddendCoef &CE = Opnd0.getCoef();
 573     return CE.isOne() ? Opnd0.getSymVal() : nullptr;
 574   }
 575
 576   // step 4: Try to optimize Opnd0 + Opnd1_0 [+ Opnd1_1]
 577   if (Opnd1_ExpNum) {
 578     AddendVect AllOpnds;
 579     AllOpnds.push_back(&Opnd0);
 580     AllOpnds.push_back(&Opnd1_0);
 581     if (Opnd1_ExpNum == 2)
 582       AllOpnds.push_back(&Opnd1_1);
 583
 584     if (Value *R = simplifyFAdd(AllOpnds, 1))
 585       return R;
 586   }
 587
 588   // step 5: Try to optimize Opnd1 + Opnd0_0 [+ Opnd0_1]
 589   if (Opnd0_ExpNum) {
 590     AddendVect AllOpnds;
 591     AllOpnds.push_back(&Opnd1);
 592     AllOpnds.push_back(&Opnd0_0);
 593     if (Opnd0_ExpNum == 2)
 594       AllOpnds.push_back(&Opnd0_1);
 595
 596     if (Value *R = simplifyFAdd(AllOpnds, 1))
 597       return R;
 598   }
 599
 600   // step 6: Try factorization as the last resort,
 601   return performFactorization(I);
 602 }
 603
 604 Value *FAddCombine::simplifyFAdd(AddendVect& Addends, unsigned InstrQuota) {
 605
 606   unsigned AddendNum = Addends.size();
 607   assert(AddendNum <= 4 && "Too many addends");
 608
 609   // For saving intermediate results;
 610   unsigned NextTmpIdx = 0;
 611   FAddend TmpResult[3];
 612
 613   // Points to the constant addend of the resulting simplified expression.
 614   // If the resulting expr has constant-addend, this constant-addend is
 615   // desirable to reside at the top of the resulting expression tree. Placing
 616   // constant close to supper-expr(s) will potentially reveal some optimization
 617   // opportunities in super-expr(s).
 618   //
 619   const FAddend *ConstAdd = nullptr;
 620
 621   // Simplified addends are placed <SimpVect>.
 622   AddendVect SimpVect;
 623
 624   // The outer loop works on one symbolic-value at a time. Suppose the input
 625   // addends are : <a1, x>, <b1, y>, <a2, x>, <c1, z>, <b2, y>, ...
 626   // The symbolic-values will be processed in this order: x, y, z.
 627   //
 628   for (unsigned SymIdx = 0; SymIdx < AddendNum; SymIdx++) {
 629
 630     const FAddend *ThisAddend = Addends[SymIdx];
 631     if (!ThisAddend) {
 632       // This addend was processed before.
 633       continue;
 634     }
 635
 636     Value *Val = ThisAddend->getSymVal();
 637     unsigned StartIdx = SimpVect.size();
 638     SimpVect.push_back(ThisAddend);
 639
 640     // The inner loop collects addends sharing same symbolic-value, and these
 641     // addends will be later on folded into a single addend. Following above
 642     // example, if the symbolic value "y" is being processed, the inner loop
 643     // will collect two addends "<b1,y>" and "<b2,Y>". These two addends will
 644     // be later on folded into "<b1+b2, y>".
 645     //
 646     for (unsigned SameSymIdx = SymIdx + 1;
 647          SameSymIdx < AddendNum; SameSymIdx++) {
 648       const FAddend *T = Addends[SameSymIdx];
 649       if (T && T->getSymVal() == Val) {
 650         // Set null such that next iteration of the outer loop will not process
 651         // this addend again.
 652         Addends[SameSymIdx] = nullptr;
 653         SimpVect.push_back(T);
 654       }
 655     }
 656
 657     // If multiple addends share same symbolic value, fold them together.
 658     if (StartIdx + 1 != SimpVect.size()) {
 659       FAddend &R = TmpResult[NextTmpIdx ++];
 660       R = *SimpVect[StartIdx];
 661       for (unsigned Idx = StartIdx + 1; Idx < SimpVect.size(); Idx++)
 662         R += *SimpVect[Idx];
 663
 664       // Pop all addends being folded and push the resulting folded addend.
 665       SimpVect.resize(StartIdx);
 666       if (Val) {
 667         if (!R.isZero()) {
 668           SimpVect.push_back(&R);
 669         }
 670       } else {
 671         // Don't push constant addend at this time. It will be the last element
 672         // of <SimpVect>.
 673         ConstAdd = &R;
 674       }
 675     }
 676   }
 677
 678   assert((NextTmpIdx <= array_lengthof(TmpResult) + 1) &&
 679          "out-of-bound access");
 680
 681   if (ConstAdd)
 682     SimpVect.push_back(ConstAdd);
 683
 684   Value *Result;
 685   if (!SimpVect.empty())
 686     Result = createNaryFAdd(SimpVect, InstrQuota);
 687   else {
 688     // The addition is folded to 0.0.
 689     Result = ConstantFP::get(Instr->getType(), 0.0);
 690   }
 691
 692   return Result;
 693 }
 694
 695 Value *FAddCombine::createNaryFAdd
 696   (const AddendVect &Opnds, unsigned InstrQuota) {
 697   assert(!Opnds.empty() && "Expect at least one addend");
 698
 699   // Step 1: Check if the # of instructions needed exceeds the quota.
 700   //
 701   unsigned InstrNeeded = calcInstrNumber(Opnds);
 702   if (InstrNeeded > InstrQuota)
 703     return nullptr;
 704
 705   initCreateInstNum();
 706
 707   // step 2: Emit the N-ary addition.
 708   // Note that at most three instructions are involved in Fadd-InstCombine: the
 709   // addition in question, and at most two neighboring instructions.
 710   // The resulting optimized addition should have at least one less instruction
 711   // than the original addition expression tree. This implies that the resulting
 712   // N-ary addition has at most two instructions, and we don't need to worry
 713   // about tree-height when constructing the N-ary addition.
 714
 715   Value *LastVal = nullptr;
 716   bool LastValNeedNeg = false;
 717
 718   // Iterate the addends, creating fadd/fsub using adjacent two addends.
 719   for (AddendVect::const_iterator I = Opnds.begin(), E = Opnds.end();
 720        I != E; I++) {
 721     bool NeedNeg;
 722     Value *V = createAddendVal(**I, NeedNeg);
 723     if (!LastVal) {
 724       LastVal = V;
 725       LastValNeedNeg = NeedNeg;
 726       continue;
 727     }
 728
 729     if (LastValNeedNeg == NeedNeg) {
 730       LastVal = createFAdd(LastVal, V);
 731       continue;
 732     }
 733
 734     if (LastValNeedNeg)
 735       LastVal = createFSub(V, LastVal);
 736     else
 737       LastVal = createFSub(LastVal, V);
 738
 739     LastValNeedNeg = false;
 740   }
 741
 742   if (LastValNeedNeg) {
 743     LastVal = createFNeg(LastVal);
 744   }
 745
 746   #ifndef NDEBUG
 747     assert(CreateInstrNum == InstrNeeded &&
 748            "Inconsistent in instruction numbers");
 749   #endif
 750
 751   return LastVal;
 752 }
 753
 754 Value *FAddCombine::createFSub
 755   (Value *Opnd0, Value *Opnd1) {
 756   Value *V = Builder->CreateFSub(Opnd0, Opnd1);
 757   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
 758     createInstPostProc(I);
 759   return V;
 760 }
 761
 762 Value *FAddCombine::createFNeg(Value *V) {
 763   Value *Zero = cast<Value>(ConstantFP::get(V->getType(), 0.0));
 764   Value *NewV = createFSub(Zero, V);
 765   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(NewV))
 766     createInstPostProc(I, true); // fneg's don't receive instruction numbers.
 767   return NewV;
 768 }
 769
 770 Value *FAddCombine::createFAdd
 771   (Value *Opnd0, Value *Opnd1) {
 772   Value *V = Builder->CreateFAdd(Opnd0, Opnd1);
 773   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
 774     createInstPostProc(I);
 775   return V;
 776 }
 777
 778 Value *FAddCombine::createFMul(Value *Opnd0, Value *Opnd1) {
 779   Value *V = Builder->CreateFMul(Opnd0, Opnd1);
 780   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
 781     createInstPostProc(I);
 782   return V;
 783 }
 784
 785 Value *FAddCombine::createFDiv(Value *Opnd0, Value *Opnd1) {
 786   Value *V = Builder->CreateFDiv(Opnd0, Opnd1);
 787   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
 788     createInstPostProc(I);
 789   return V;
 790 }
 791
 792 void FAddCombine::createInstPostProc(Instruction *NewInstr,
 793                                      bool NoNumber) {
 794   NewInstr->setDebugLoc(Instr->getDebugLoc());
 795
 796   // Keep track of the number of instruction created.
 797   if (!NoNumber)
 798     incCreateInstNum();
 799
 800   // Propagate fast-math flags
 801   NewInstr->setFastMathFlags(Instr->getFastMathFlags());
 802 }
 803
 804 // Return the number of instruction needed to emit the N-ary addition.
 805 // NOTE: Keep this function in sync with createAddendVal().
 806 unsigned FAddCombine::calcInstrNumber(const AddendVect &Opnds) {
 807   unsigned OpndNum = Opnds.size();
 808   unsigned InstrNeeded = OpndNum - 1;
 809
 810   // The number of addends in the form of "(-1)*x".
 811   unsigned NegOpndNum = 0;
 812
 813   // Adjust the number of instructions needed to emit the N-ary add.
 814   for (AddendVect::const_iterator I = Opnds.begin(), E = Opnds.end();
 815        I != E; I++) {
 816     const FAddend *Opnd = *I;
 817     if (Opnd->isConstant())
 818       continue;
 819
 820     const FAddendCoef &CE = Opnd->getCoef();
 821     if (CE.isMinusOne() || CE.isMinusTwo())
 822       NegOpndNum++;
 823
 824     // Let the addend be "c * x". If "c == +/-1", the value of the addend
 825     // is immediately available; otherwise, it needs exactly one instruction
 826     // to evaluate the value.
 827     if (!CE.isMinusOne() && !CE.isOne())
 828       InstrNeeded++;
 829   }
 830   if (NegOpndNum == OpndNum)
 831     InstrNeeded++;
 832   return InstrNeeded;
 833 }
 834
 835 // Input Addend        Value           NeedNeg(output)
 836 // ================================================================
 837 // Constant C          C               false
 838 // <+/-1, V>           V               coefficient is -1
 839 // <2/-2, V>          "fadd V, V"      coefficient is -2
 840 // <C, V>             "fmul V, C"      false
 841 //
 842 // NOTE: Keep this function in sync with FAddCombine::calcInstrNumber.
 843 Value *FAddCombine::createAddendVal
 844   (const FAddend &Opnd, bool &NeedNeg) {
 845   const FAddendCoef &Coeff = Opnd.getCoef();
 846
 847   if (Opnd.isConstant()) {
 848     NeedNeg = false;
 849     return Coeff.getValue(Instr->getType());
 850   }
 851
 852   Value *OpndVal = Opnd.getSymVal();
 853
 854   if (Coeff.isMinusOne() || Coeff.isOne()) {
 855     NeedNeg = Coeff.isMinusOne();
 856     return OpndVal;
 857   }
 858
 859   if (Coeff.isTwo() || Coeff.isMinusTwo()) {
 860     NeedNeg = Coeff.isMinusTwo();
 861     return createFAdd(OpndVal, OpndVal);
 862   }
 863
 864   NeedNeg = false;
 865   return createFMul(OpndVal, Coeff.getValue(Instr->getType()));
 866 }
 867
 868 // dyn_castFoldableMul - If this value is a multiply that can be folded into
 869 // other computations (because it has a constant operand), return the
 870 // non-constant operand of the multiply, and set CST to point to the multiplier.
 871 // Otherwise, return null.
 872 //
 873 static inline Value *dyn_castFoldableMul(Value *V, Constant *&CST) {
 874   if (!V->hasOneUse() || !V->getType()->isIntOrIntVectorTy())
 875     return nullptr;
 876
 877   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
 878   if (!I) return nullptr;
 879
 880   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul)
 881     if ((CST = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1))))
 882       return I->getOperand(0);
 883   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl)
 884     if ((CST = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1)))) {
 885       // The multiplier is really 1 << CST.
 886       CST = ConstantExpr::getShl(ConstantInt::get(V->getType(), 1), CST);
 887       return I->getOperand(0);
 888     }
 889   return nullptr;
 890 }
 891
 892
 893 /// WillNotOverflowSignedAdd - Return true if we can prove that:
 894 ///    (sext (add LHS, RHS))  === (add (sext LHS), (sext RHS))
 895 /// This basically requires proving that the add in the original type would not
 896 /// overflow to change the sign bit or have a carry out.
 897 bool InstCombiner::WillNotOverflowSignedAdd(Value *LHS, Value *RHS) {
 898   // There are different heuristics we can use for this.  Here are some simple
 899   // ones.
 900
 901   // Add has the property that adding any two 2's complement numbers can only
 902   // have one carry bit which can change a sign.  As such, if LHS and RHS each
 903   // have at least two sign bits, we know that the addition of the two values
 904   // will sign extend fine.
 905   if (ComputeNumSignBits(LHS) > 1 && ComputeNumSignBits(RHS) > 1)
 906     return true;
 907
 908
 909   // If one of the operands only has one non-zero bit, and if the other operand
 910   // has a known-zero bit in a more significant place than it (not including the
 911   // sign bit) the ripple may go up to and fill the zero, but won't change the
 912   // sign.  For example, (X & ~4) + 1.
 913
 914   // TODO: Implement.
 915
 916   return false;
 917 }
 918
 919 Instruction *InstCombiner::visitAdd(BinaryOperator &I) {
 920   bool Changed = SimplifyAssociativeOrCommutative(I);
 921   Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
 922
 923   if (Value *V = SimplifyVectorOp(I))
 924     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
 925
 926   if (Value *V = SimplifyAddInst(LHS, RHS, I.hasNoSignedWrap(),
 927                                  I.hasNoUnsignedWrap(), DL))
 928     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
 929
 930   // (A*B)+(A*C) -> A*(B+C) etc
 931   if (Value *V = SimplifyUsingDistributiveLaws(I))
 932     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
 933
 934   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(RHS)) {
 935     // X + (signbit) --> X ^ signbit
 936     const APInt &Val = CI->getValue();
 937     if (Val.isSignBit())
 938       return BinaryOperator::CreateXor(LHS, RHS);
 939
 940     // See if SimplifyDemandedBits can simplify this.  This handles stuff like
 941     // (X & 254)+1 -> (X&254)|1
 942     if (SimplifyDemandedInstructionBits(I))
 943       return &I;
 944
 945     // zext(bool) + C -> bool ? C + 1 : C
 946     if (ZExtInst *ZI = dyn_cast<ZExtInst>(LHS))
 947       if (ZI->getSrcTy()->isIntegerTy(1))
 948         return SelectInst::Create(ZI->getOperand(0), AddOne(CI), CI);
 949
 950     Value *XorLHS = nullptr; ConstantInt *XorRHS = nullptr;
 951     if (match(LHS, m_Xor(m_Value(XorLHS), m_ConstantInt(XorRHS)))) {
 952       uint32_t TySizeBits = I.getType()->getScalarSizeInBits();
 953       const APInt &RHSVal = CI->getValue();
 954       unsigned ExtendAmt = 0;
 955       // If we have ADD(XOR(AND(X, 0xFF), 0x80), 0xF..F80), it's a sext.
 956       // If we have ADD(XOR(AND(X, 0xFF), 0xF..F80), 0x80), it's a sext.
 957       if (XorRHS->getValue() == -RHSVal) {
 958         if (RHSVal.isPowerOf2())
 959           ExtendAmt = TySizeBits - RHSVal.logBase2() - 1;
 960         else if (XorRHS->getValue().isPowerOf2())
 961           ExtendAmt = TySizeBits - XorRHS->getValue().logBase2() - 1;
 962       }
 963
 964       if (ExtendAmt) {
 965         APInt Mask = APInt::getHighBitsSet(TySizeBits, ExtendAmt);
 966         if (!MaskedValueIsZero(XorLHS, Mask))
 967           ExtendAmt = 0;
 968       }
 969
 970       if (ExtendAmt) {
 971         Constant *ShAmt = ConstantInt::get(I.getType(), ExtendAmt);
 972         Value *NewShl = Builder->CreateShl(XorLHS, ShAmt, "sext");
 973         return BinaryOperator::CreateAShr(NewShl, ShAmt);
 974       }
 975
 976       // If this is a xor that was canonicalized from a sub, turn it back into
 977       // a sub and fuse this add with it.
 978       if (LHS->hasOneUse() && (XorRHS->getValue()+1).isPowerOf2()) {
 979         IntegerType *IT = cast<IntegerType>(I.getType());
 980         APInt LHSKnownOne(IT->getBitWidth(), 0);
 981         APInt LHSKnownZero(IT->getBitWidth(), 0);
 982         computeKnownBits(XorLHS, LHSKnownZero, LHSKnownOne);
 983         if ((XorRHS->getValue() | LHSKnownZero).isAllOnesValue())
 984           return BinaryOperator::CreateSub(ConstantExpr::getAdd(XorRHS, CI),
 985                                            XorLHS);
 986       }
 987       // (X + signbit) + C could have gotten canonicalized to (X ^ signbit) + C,
 988       // transform them into (X + (signbit ^ C))
 989       if (XorRHS->getValue().isSignBit())
 990           return BinaryOperator::CreateAdd(XorLHS,
 991                                            ConstantExpr::getXor(XorRHS, CI));
 992     }
 993   }
 994
 995   if (isa<Constant>(RHS) && isa<PHINode>(LHS))
 996     if (Instruction *NV = FoldOpIntoPhi(I))
 997       return NV;
 998
 999   if (I.getType()->getScalarType()->isIntegerTy(1))
1000     return BinaryOperator::CreateXor(LHS, RHS);
1001
1002   // X + X --> X << 1
1003   if (LHS == RHS) {
1004     BinaryOperator *New =
1005       BinaryOperator::CreateShl(LHS, ConstantInt::get(I.getType(), 1));
1006     New->setHasNoSignedWrap(I.hasNoSignedWrap());
1007     New->setHasNoUnsignedWrap(I.hasNoUnsignedWrap());
1008     return New;
1009   }
1010
1011   // -A + B  -->  B - A
1012   // -A + -B  -->  -(A + B)
1013   if (Value *LHSV = dyn_castNegVal(LHS)) {
1014     if (!isa<Constant>(RHS))
1015       if (Value *RHSV = dyn_castNegVal(RHS)) {
1016         Value *NewAdd = Builder->CreateAdd(LHSV, RHSV, "sum");
1017         return BinaryOperator::CreateNeg(NewAdd);
1018       }
1019
1020     return BinaryOperator::CreateSub(RHS, LHSV);
1021   }
1022
1023   // A + -B  -->  A - B
1024   if (!isa<Constant>(RHS))
1025     if (Value *V = dyn_castNegVal(RHS))
1026       return BinaryOperator::CreateSub(LHS, V);
1027
1028
1029   {
1030     Constant *C2;
1031     if (Value *X = dyn_castFoldableMul(LHS, C2)) {
1032       if (X == RHS) // X*C + X --> X * (C+1)
1033         return BinaryOperator::CreateMul(RHS, AddOne(C2));
1034
1035       // X*C1 + X*C2 --> X * (C1+C2)
1036       Constant *C1;
1037       if (X == dyn_castFoldableMul(RHS, C1))
1038         return BinaryOperator::CreateMul(X, ConstantExpr::getAdd(C1, C2));
1039     }
1040
1041     // X + X*C --> X * (C+1)
1042     if (dyn_castFoldableMul(RHS, C2) == LHS)
1043       return BinaryOperator::CreateMul(LHS, AddOne(C2));
1044   }
1045
1046   // A+B --> A|B iff A and B have no bits set in common.
1047   if (IntegerType *IT = dyn_cast<IntegerType>(I.getType())) {
1048     APInt LHSKnownOne(IT->getBitWidth(), 0);
1049     APInt LHSKnownZero(IT->getBitWidth(), 0);
1050     computeKnownBits(LHS, LHSKnownZero, LHSKnownOne);
1051     if (LHSKnownZero != 0) {
1052       APInt RHSKnownOne(IT->getBitWidth(), 0);
1053       APInt RHSKnownZero(IT->getBitWidth(), 0);
1054       computeKnownBits(RHS, RHSKnownZero, RHSKnownOne);
1055
1056       // No bits in common -> bitwise or.
1057       if ((LHSKnownZero|RHSKnownZero).isAllOnesValue())
1058         return BinaryOperator::CreateOr(LHS, RHS);
1059     }
1060   }
1061
1062   // W*X + Y*Z --> W * (X+Z)  iff W == Y
1063   {
1064     Value *W, *X, *Y, *Z;
1065     if (match(LHS, m_Mul(m_Value(W), m_Value(X))) &&
1066         match(RHS, m_Mul(m_Value(Y), m_Value(Z)))) {
1067       if (W != Y) {
1068         if (W == Z) {
1069           std::swap(Y, Z);
1070         } else if (Y == X) {
1071           std::swap(W, X);
1072         } else if (X == Z) {
1073           std::swap(Y, Z);
1074           std::swap(W, X);
1075         }
1076       }
1077
1078       if (W == Y) {
1079         Value *NewAdd = Builder->CreateAdd(X, Z, LHS->getName());
1080         return BinaryOperator::CreateMul(W, NewAdd);
1081       }
1082     }
1083   }
1084
1085   if (Constant *CRHS = dyn_cast<Constant>(RHS)) {
1086     Value *X;
1087     if (match(LHS, m_Not(m_Value(X)))) // ~X + C --> (C-1) - X
1088       return BinaryOperator::CreateSub(SubOne(CRHS), X);
1089   }
1090
1091   if (ConstantInt *CRHS = dyn_cast<ConstantInt>(RHS)) {
1092     // (X & FF00) + xx00  -> (X+xx00) & FF00
1093     Value *X;
1094     ConstantInt *C2;
1095     if (LHS->hasOneUse() &&
1096         match(LHS, m_And(m_Value(X), m_ConstantInt(C2))) &&
1097         CRHS->getValue() == (CRHS->getValue() & C2->getValue())) {
1098       // See if all bits from the first bit set in the Add RHS up are included
1099       // in the mask.  First, get the rightmost bit.
1100       const APInt &AddRHSV = CRHS->getValue();
1101
1102       // Form a mask of all bits from the lowest bit added through the top.
1103       APInt AddRHSHighBits(~((AddRHSV & -AddRHSV)-1));
1104
1105       // See if the and mask includes all of these bits.
1106       APInt AddRHSHighBitsAnd(AddRHSHighBits & C2->getValue());
1107
1108       if (AddRHSHighBits == AddRHSHighBitsAnd) {
1109         // Okay, the xform is safe.  Insert the new add pronto.
1110         Value *NewAdd = Builder->CreateAdd(X, CRHS, LHS->getName());
1111         return BinaryOperator::CreateAnd(NewAdd, C2);
1112       }
1113     }
1114
1115     // Try to fold constant add into select arguments.
1116     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(LHS))
1117       if (Instruction *R = FoldOpIntoSelect(I, SI))
1118         return R;
1119   }
1120
1121   // add (select X 0 (sub n A)) A  -->  select X A n
1122   {
1123     SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(LHS);
1124     Value *A = RHS;
1125     if (!SI) {
1126       SI = dyn_cast<SelectInst>(RHS);
1127       A = LHS;
1128     }
1129     if (SI && SI->hasOneUse()) {
1130       Value *TV = SI->getTrueValue();
1131       Value *FV = SI->getFalseValue();
1132       Value *N;
1133
1134       // Can we fold the add into the argument of the select?
1135       // We check both true and false select arguments for a matching subtract.
1136       if (match(FV, m_Zero()) && match(TV, m_Sub(m_Value(N), m_Specific(A))))
1137         // Fold the add into the true select value.
1138         return SelectInst::Create(SI->getCondition(), N, A);
1139
1140       if (match(TV, m_Zero()) && match(FV, m_Sub(m_Value(N), m_Specific(A))))
1141         // Fold the add into the false select value.
1142         return SelectInst::Create(SI->getCondition(), A, N);
1143     }
1144   }
1145
1146   // Check for (add (sext x), y), see if we can merge this into an
1147   // integer add followed by a sext.
1148   if (SExtInst *LHSConv = dyn_cast<SExtInst>(LHS)) {
1149     // (add (sext x), cst) --> (sext (add x, cst'))
1150     if (ConstantInt *RHSC = dyn_cast<ConstantInt>(RHS)) {
1151       Constant *CI =
1152         ConstantExpr::getTrunc(RHSC, LHSConv->getOperand(0)->getType());
1153       if (LHSConv->hasOneUse() &&
1154           ConstantExpr::getSExt(CI, I.getType()) == RHSC &&
1155           WillNotOverflowSignedAdd(LHSConv->getOperand(0), CI)) {
1156         // Insert the new, smaller add.
1157         Value *NewAdd = Builder->CreateNSWAdd(LHSConv->getOperand(0),
1158                                               CI, "addconv");
1159         return new SExtInst(NewAdd, I.getType());
1160       }
1161     }
1162
1163     // (add (sext x), (sext y)) --> (sext (add int x, y))
1164     if (SExtInst *RHSConv = dyn_cast<SExtInst>(RHS)) {
1165       // Only do this if x/y have the same type, if at last one of them has a
1166       // single use (so we don't increase the number of sexts), and if the
1167       // integer add will not overflow.
1168       if (LHSConv->getOperand(0)->getType()==RHSConv->getOperand(0)->getType()&&
1169           (LHSConv->hasOneUse() || RHSConv->hasOneUse()) &&
1170           WillNotOverflowSignedAdd(LHSConv->getOperand(0),
1171                                    RHSConv->getOperand(0))) {
1172         // Insert the new integer add.
1173         Value *NewAdd = Builder->CreateNSWAdd(LHSConv->getOperand(0),
1174                                              RHSConv->getOperand(0), "addconv");
1175         return new SExtInst(NewAdd, I.getType());
1176       }
1177     }
1178   }
1179
1180   // Check for (x & y) + (x ^ y)
1181   {
1182     Value *A = nullptr, *B = nullptr;
1183     if (match(RHS, m_Xor(m_Value(A), m_Value(B))) &&
1184         (match(LHS, m_And(m_Specific(A), m_Specific(B))) ||
1185          match(LHS, m_And(m_Specific(B), m_Specific(A)))))
1186       return BinaryOperator::CreateOr(A, B);
1187
1188     if (match(LHS, m_Xor(m_Value(A), m_Value(B))) &&
1189         (match(RHS, m_And(m_Specific(A), m_Specific(B))) ||
1190          match(RHS, m_And(m_Specific(B), m_Specific(A)))))
1191       return BinaryOperator::CreateOr(A, B);
1192   }
1193
1194   return Changed ? &I : nullptr;
1195 }
1196
1197 Instruction *InstCombiner::visitFAdd(BinaryOperator &I) {
1198   bool Changed = SimplifyAssociativeOrCommutative(I);
1199   Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
1200
1201   if (Value *V = SimplifyVectorOp(I))
1202     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1203
1204   if (Value *V = SimplifyFAddInst(LHS, RHS, I.getFastMathFlags(), DL))
1205     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1206
1207   if (isa<Constant>(RHS)) {
1208     if (isa<PHINode>(LHS))
1209       if (Instruction *NV = FoldOpIntoPhi(I))
1210         return NV;
1211
1212     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(LHS))
1213       if (Instruction *NV = FoldOpIntoSelect(I, SI))
1214         return NV;
1215   }
1216
1217   // -A + B  -->  B - A
1218   // -A + -B  -->  -(A + B)
1219   if (Value *LHSV = dyn_castFNegVal(LHS)) {
1220     Instruction *RI = BinaryOperator::CreateFSub(RHS, LHSV);
1221     RI->copyFastMathFlags(&I);
1222     return RI;
1223   }
1224
1225   // A + -B  -->  A - B
1226   if (!isa<Constant>(RHS))
1227     if (Value *V = dyn_castFNegVal(RHS)) {
1228       Instruction *RI = BinaryOperator::CreateFSub(LHS, V);
1229       RI->copyFastMathFlags(&I);
1230       return RI;
1231     }
1232
1233   // Check for (fadd double (sitofp x), y), see if we can merge this into an
1234   // integer add followed by a promotion.
1235   if (SIToFPInst *LHSConv = dyn_cast<SIToFPInst>(LHS)) {
1236     // (fadd double (sitofp x), fpcst) --> (sitofp (add int x, intcst))
1237     // ... if the constant fits in the integer value.  This is useful for things
1238     // like (double)(x & 1234) + 4.0 -> (double)((X & 1234)+4) which no longer
1239     // requires a constant pool load, and generally allows the add to be better
1240     // instcombined.
1241     if (ConstantFP *CFP = dyn_cast<ConstantFP>(RHS)) {
1242       Constant *CI =
1243       ConstantExpr::getFPToSI(CFP, LHSConv->getOperand(0)->getType());
1244       if (LHSConv->hasOneUse() &&
1245           ConstantExpr::getSIToFP(CI, I.getType()) == CFP &&
1246           WillNotOverflowSignedAdd(LHSConv->getOperand(0), CI)) {
1247         // Insert the new integer add.
1248         Value *NewAdd = Builder->CreateNSWAdd(LHSConv->getOperand(0),
1249                                               CI, "addconv");
1250         return new SIToFPInst(NewAdd, I.getType());
1251       }
1252     }
1253
1254     // (fadd double (sitofp x), (sitofp y)) --> (sitofp (add int x, y))
1255     if (SIToFPInst *RHSConv = dyn_cast<SIToFPInst>(RHS)) {
1256       // Only do this if x/y have the same type, if at last one of them has a
1257       // single use (so we don't increase the number of int->fp conversions),
1258       // and if the integer add will not overflow.
1259       if (LHSConv->getOperand(0)->getType()==RHSConv->getOperand(0)->getType()&&
1260           (LHSConv->hasOneUse() || RHSConv->hasOneUse()) &&
1261           WillNotOverflowSignedAdd(LHSConv->getOperand(0),
1262                                    RHSConv->getOperand(0))) {
1263         // Insert the new integer add.
1264         Value *NewAdd = Builder->CreateNSWAdd(LHSConv->getOperand(0),
1265                                               RHSConv->getOperand(0),"addconv");
1266         return new SIToFPInst(NewAdd, I.getType());
1267       }
1268     }
1269   }
1270
1271   // select C, 0, B + select C, A, 0 -> select C, A, B
1272   {
1273     Value *A1, *B1, *C1, *A2, *B2, *C2;
1274     if (match(LHS, m_Select(m_Value(C1), m_Value(A1), m_Value(B1))) &&
1275         match(RHS, m_Select(m_Value(C2), m_Value(A2), m_Value(B2)))) {
1276       if (C1 == C2) {
1277         Constant *Z1=nullptr, *Z2=nullptr;
1278         Value *A, *B, *C=C1;
1279         if (match(A1, m_AnyZero()) && match(B2, m_AnyZero())) {
1280             Z1 = dyn_cast<Constant>(A1); A = A2;
1281             Z2 = dyn_cast<Constant>(B2); B = B1;
1282         } else if (match(B1, m_AnyZero()) && match(A2, m_AnyZero())) {
1283             Z1 = dyn_cast<Constant>(B1); B = B2;
1284             Z2 = dyn_cast<Constant>(A2); A = A1;
1285         }
1286
1287         if (Z1 && Z2 &&
1288             (I.hasNoSignedZeros() ||
1289              (Z1->isNegativeZeroValue() && Z2->isNegativeZeroValue()))) {
1290           return SelectInst::Create(C, A, B);
1291         }
1292       }
1293     }
1294   }
1295
1296   if (I.hasUnsafeAlgebra()) {
1297     if (Value *V = FAddCombine(Builder).simplify(&I))
1298       return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1299   }
1300
1301   return Changed ? &I : nullptr;
1302 }
1303
1304
1305 /// Optimize pointer differences into the same array into a size.  Consider:
1306 ///  &A[10] - &A[0]: we should compile this to "10".  LHS/RHS are the pointer
1307 /// operands to the ptrtoint instructions for the LHS/RHS of the subtract.
1308 ///
1309 Value *InstCombiner::OptimizePointerDifference(Value *LHS, Value *RHS,
1310                                                Type *Ty) {
1311   assert(DL && "Must have target data info for this");
1312
1313   // If LHS is a gep based on RHS or RHS is a gep based on LHS, we can optimize
1314   // this.
1315   bool Swapped = false;
1316   GEPOperator *GEP1 = nullptr, *GEP2 = nullptr;
1317
1318   // For now we require one side to be the base pointer "A" or a constant
1319   // GEP derived from it.
1320   if (GEPOperator *LHSGEP = dyn_cast<GEPOperator>(LHS)) {
1321     // (gep X, ...) - X
1322     if (LHSGEP->getOperand(0) == RHS) {
1323       GEP1 = LHSGEP;
1324       Swapped = false;
1325     } else if (GEPOperator *RHSGEP = dyn_cast<GEPOperator>(RHS)) {
1326       // (gep X, ...) - (gep X, ...)
1327       if (LHSGEP->getOperand(0)->stripPointerCasts() ==
1328             RHSGEP->getOperand(0)->stripPointerCasts()) {
1329         GEP2 = RHSGEP;
1330         GEP1 = LHSGEP;
1331         Swapped = false;
1332       }
1333     }
1334   }
1335
1336   if (GEPOperator *RHSGEP = dyn_cast<GEPOperator>(RHS)) {
1337     // X - (gep X, ...)
1338     if (RHSGEP->getOperand(0) == LHS) {
1339       GEP1 = RHSGEP;
1340       Swapped = true;
1341     } else if (GEPOperator *LHSGEP = dyn_cast<GEPOperator>(LHS)) {
1342       // (gep X, ...) - (gep X, ...)
1343       if (RHSGEP->getOperand(0)->stripPointerCasts() ==
1344             LHSGEP->getOperand(0)->stripPointerCasts()) {
1345         GEP2 = LHSGEP;
1346         GEP1 = RHSGEP;
1347         Swapped = true;
1348       }
1349     }
1350   }
1351
1352   // Avoid duplicating the arithmetic if GEP2 has non-constant indices and
1353   // multiple users.
1354   if (!GEP1 ||
1355       (GEP2 && !GEP2->hasAllConstantIndices() && !GEP2->hasOneUse()))
1356     return nullptr;
1357
1358   // Emit the offset of the GEP and an intptr_t.
1359   Value *Result = EmitGEPOffset(GEP1);
1360
1361   // If we had a constant expression GEP on the other side offsetting the
1362   // pointer, subtract it from the offset we have.
1363   if (GEP2) {
1364     Value *Offset = EmitGEPOffset(GEP2);
1365     Result = Builder->CreateSub(Result, Offset);
1366   }
1367
1368   // If we have p - gep(p, ...)  then we have to negate the result.
1369   if (Swapped)
1370     Result = Builder->CreateNeg(Result, "diff.neg");
1371
1372   return Builder->CreateIntCast(Result, Ty, true);
1373 }
1374
1375
1376 Instruction *InstCombiner::visitSub(BinaryOperator &I) {
1377   Value *Op0 = I.getOperand(0), *Op1 = I.getOperand(1);
1378
1379   if (Value *V = SimplifyVectorOp(I))
1380     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1381
1382   if (Value *V = SimplifySubInst(Op0, Op1, I.hasNoSignedWrap(),
1383                                  I.hasNoUnsignedWrap(), DL))
1384     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1385
1386   // (A*B)-(A*C) -> A*(B-C) etc
1387   if (Value *V = SimplifyUsingDistributiveLaws(I))
1388     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1389
1390   // If this is a 'B = x-(-A)', change to B = x+A.  This preserves NSW/NUW.
1391   if (Value *V = dyn_castNegVal(Op1)) {
1392     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateAdd(Op0, V);
1393     Res->setHasNoSignedWrap(I.hasNoSignedWrap());
1394     Res->setHasNoUnsignedWrap(I.hasNoUnsignedWrap());
1395     return Res;
1396   }
1397
1398   if (I.getType()->isIntegerTy(1))
1399     return BinaryOperator::CreateXor(Op0, Op1);
1400
1401   // Replace (-1 - A) with (~A).
1402   if (match(Op0, m_AllOnes()))
1403     return BinaryOperator::CreateNot(Op1);
1404
1405   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op0)) {
1406     // C - ~X == X + (1+C)
1407     Value *X = nullptr;
1408     if (match(Op1, m_Not(m_Value(X))))
1409       return BinaryOperator::CreateAdd(X, AddOne(C));
1410
1411     // Try to fold constant sub into select arguments.
1412     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(Op1))
1413       if (Instruction *R = FoldOpIntoSelect(I, SI))
1414         return R;
1415
1416     // C-(X+C2) --> (C-C2)-X
1417     Constant *C2;
1418     if (match(Op1, m_Add(m_Value(X), m_Constant(C2))))
1419       return BinaryOperator::CreateSub(ConstantExpr::getSub(C, C2), X);
1420
1421     if (SimplifyDemandedInstructionBits(I))
1422       return &I;
1423
1424     // Fold (sub 0, (zext bool to B)) --> (sext bool to B)
1425     if (C->isNullValue() && match(Op1, m_ZExt(m_Value(X))))
1426       if (X->getType()->getScalarType()->isIntegerTy(1))
1427         return CastInst::CreateSExtOrBitCast(X, Op1->getType());
1428
1429     // Fold (sub 0, (sext bool to B)) --> (zext bool to B)
1430     if (C->isNullValue() && match(Op1, m_SExt(m_Value(X))))
1431       if (X->getType()->getScalarType()->isIntegerTy(1))
1432         return CastInst::CreateZExtOrBitCast(X, Op1->getType());
1433   }
1434
1435   if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(Op0)) {
1436     // -(X >>u 31) -> (X >>s 31)
1437     // -(X >>s 31) -> (X >>u 31)
1438     if (C->isZero()) {
1439       Value *X; ConstantInt *CI;
1440       if (match(Op1, m_LShr(m_Value(X), m_ConstantInt(CI))) &&
1441           // Verify we are shifting out everything but the sign bit.
1442           CI->getValue() == I.getType()->getPrimitiveSizeInBits()-1)
1443         return BinaryOperator::CreateAShr(X, CI);
1444
1445       if (match(Op1, m_AShr(m_Value(X), m_ConstantInt(CI))) &&
1446           // Verify we are shifting out everything but the sign bit.
1447           CI->getValue() == I.getType()->getPrimitiveSizeInBits()-1)
1448         return BinaryOperator::CreateLShr(X, CI);
1449     }
1450   }
1451
1452
1453   { Value *Y;
1454     // X-(X+Y) == -Y    X-(Y+X) == -Y
1455     if (match(Op1, m_Add(m_Specific(Op0), m_Value(Y))) ||
1456         match(Op1, m_Add(m_Value(Y), m_Specific(Op0))))
1457       return BinaryOperator::CreateNeg(Y);
1458
1459     // (X-Y)-X == -Y
1460     if (match(Op0, m_Sub(m_Specific(Op1), m_Value(Y))))
1461       return BinaryOperator::CreateNeg(Y);
1462   }
1463
1464   if (Op1->hasOneUse()) {
1465     Value *X = nullptr, *Y = nullptr, *Z = nullptr;
1466     Constant *C = nullptr;
1467     Constant *CI = nullptr;
1468
1469     // (X - (Y - Z))  -->  (X + (Z - Y)).
1470     if (match(Op1, m_Sub(m_Value(Y), m_Value(Z))))
1471       return BinaryOperator::CreateAdd(Op0,
1472                                       Builder->CreateSub(Z, Y, Op1->getName()));
1473
1474     // (X - (X & Y))   -->   (X & ~Y)
1475     //
1476     if (match(Op1, m_And(m_Value(Y), m_Specific(Op0))) ||
1477         match(Op1, m_And(m_Specific(Op0), m_Value(Y))))
1478       return BinaryOperator::CreateAnd(Op0,
1479                                   Builder->CreateNot(Y, Y->getName() + ".not"));
1480
1481     // 0 - (X sdiv C)  -> (X sdiv -C)
1482     if (match(Op1, m_SDiv(m_Value(X), m_Constant(C))) &&
1483         match(Op0, m_Zero()))
1484       return BinaryOperator::CreateSDiv(X, ConstantExpr::getNeg(C));
1485
1486     // 0 - (X << Y)  -> (-X << Y)   when X is freely negatable.
1487     if (match(Op1, m_Shl(m_Value(X), m_Value(Y))) && match(Op0, m_Zero()))
1488       if (Value *XNeg = dyn_castNegVal(X))
1489         return BinaryOperator::CreateShl(XNeg, Y);
1490
1491     // X - X*C --> X * (1-C)
1492     if (match(Op1, m_Mul(m_Specific(Op0), m_Constant(CI)))) {
1493       Constant *CP1 = ConstantExpr::getSub(ConstantInt::get(I.getType(),1), CI);
1494       return BinaryOperator::CreateMul(Op0, CP1);
1495     }
1496
1497     // X - X<<C --> X * (1-(1<<C))
1498     if (match(Op1, m_Shl(m_Specific(Op0), m_Constant(CI)))) {
1499       Constant *One = ConstantInt::get(I.getType(), 1);
1500       C = ConstantExpr::getSub(One, ConstantExpr::getShl(One, CI));
1501       return BinaryOperator::CreateMul(Op0, C);
1502     }
1503
1504     // X - A*-B -> X + A*B
1505     // X - -A*B -> X + A*B
1506     Value *A, *B;
1507     if (match(Op1, m_Mul(m_Value(A), m_Neg(m_Value(B)))) ||
1508         match(Op1, m_Mul(m_Neg(m_Value(A)), m_Value(B))))
1509       return BinaryOperator::CreateAdd(Op0, Builder->CreateMul(A, B));
1510
1511     // X - A*CI -> X + A*-CI
1512     // X - CI*A -> X + A*-CI
1513     if (match(Op1, m_Mul(m_Value(A), m_Constant(CI))) ||
1514         match(Op1, m_Mul(m_Constant(CI), m_Value(A)))) {
1515       Value *NewMul = Builder->CreateMul(A, ConstantExpr::getNeg(CI));
1516       return BinaryOperator::CreateAdd(Op0, NewMul);
1517     }
1518   }
1519
1520   Constant *C1;
1521   if (Value *X = dyn_castFoldableMul(Op0, C1)) {
1522     if (X == Op1)  // X*C - X --> X * (C-1)
1523       return BinaryOperator::CreateMul(Op1, SubOne(C1));
1524
1525     Constant *C2;   // X*C1 - X*C2 -> X * (C1-C2)
1526     if (X == dyn_castFoldableMul(Op1, C2))
1527       return BinaryOperator::CreateMul(X, ConstantExpr::getSub(C1, C2));
1528   }
1529
1530   // Optimize pointer differences into the same array into a size.  Consider:
1531   //  &A[10] - &A[0]: we should compile this to "10".
1532   if (DL) {
1533     Value *LHSOp, *RHSOp;
1534     if (match(Op0, m_PtrToInt(m_Value(LHSOp))) &&
1535         match(Op1, m_PtrToInt(m_Value(RHSOp))))
1536       if (Value *Res = OptimizePointerDifference(LHSOp, RHSOp, I.getType()))
1537         return ReplaceInstUsesWith(I, Res);
1538
1539     // trunc(p)-trunc(q) -> trunc(p-q)
1540     if (match(Op0, m_Trunc(m_PtrToInt(m_Value(LHSOp)))) &&
1541         match(Op1, m_Trunc(m_PtrToInt(m_Value(RHSOp)))))
1542       if (Value *Res = OptimizePointerDifference(LHSOp, RHSOp, I.getType()))
1543         return ReplaceInstUsesWith(I, Res);
1544   }
1545
1546   return nullptr;
1547 }
1548
1549 Instruction *InstCombiner::visitFSub(BinaryOperator &I) {
1550   Value *Op0 = I.getOperand(0), *Op1 = I.getOperand(1);
1551
1552   if (Value *V = SimplifyVectorOp(I))
1553     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1554
1555   if (Value *V = SimplifyFSubInst(Op0, Op1, I.getFastMathFlags(), DL))
1556     return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1557
1558   if (isa<Constant>(Op0))
1559     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(Op1))
1560       if (Instruction *NV = FoldOpIntoSelect(I, SI))
1561         return NV;
1562
1563   // If this is a 'B = x-(-A)', change to B = x+A, potentially looking
1564   // through FP extensions/truncations along the way.
1565   if (Value *V = dyn_castFNegVal(Op1)) {
1566     Instruction *NewI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, V);
1567     NewI->copyFastMathFlags(&I);
1568     return NewI;
1569   }
1570   if (FPTruncInst *FPTI = dyn_cast<FPTruncInst>(Op1)) {
1571     if (Value *V = dyn_castFNegVal(FPTI->getOperand(0))) {
1572       Value *NewTrunc = Builder->CreateFPTrunc(V, I.getType());
1573       Instruction *NewI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, NewTrunc);
1574       NewI->copyFastMathFlags(&I);
1575       return NewI;
1576     }
1577   } else if (FPExtInst *FPEI = dyn_cast<FPExtInst>(Op1)) {
1578     if (Value *V = dyn_castFNegVal(FPEI->getOperand(0))) {
1579       Value *NewExt = Builder->CreateFPExt(V, I.getType());
1580       Instruction *NewI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, NewExt);
1581       NewI->copyFastMathFlags(&I);
1582       return NewI;
1583     }
1584   }
1585
1586   if (I.hasUnsafeAlgebra()) {
1587     if (Value *V = FAddCombine(Builder).simplify(&I))
1588       return ReplaceInstUsesWith(I, V);
1589   }
1590
1591   return nullptr;
1592 }