03fb40d5b625a0f9d3e48780475b4bb9f19be382
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
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 transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // This transformation makes the following changes to each loop with an
15 // identifiable induction variable:
16 //   1. All loops are transformed to have a SINGLE canonical induction variable
17 //      which starts at zero and steps by one.
18 //   2. The canonical induction variable is guaranteed to be the first PHI node
19 //      in the loop header block.
20 //   3. The canonical induction variable is guaranteed to be in a wide enough
21 //      type so that IV expressions need not be (directly) zero-extended or
22 //      sign-extended.
23 //   4. Any pointer arithmetic recurrences are raised to use array subscripts.
24 //
25 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
26 // changes:
27 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
28 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
29 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
30 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
31 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
32 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
33 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
34 //      expression, this transformation will make the loop dead.
35 //
36 // This transformation should be followed by strength reduction after all of the
37 // desired loop transformations have been performed.
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40
41 #define DEBUG_TYPE "indvars"
42 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
43 #include "llvm/BasicBlock.h"
44 #include "llvm/Constants.h"
45 #include "llvm/Instructions.h"
46 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/LLVMContext.h"
48 #include "llvm/Type.h"
49 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
50 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
52 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
53 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
54 #include "llvm/Support/CFG.h"
55 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
56 #include "llvm/Support/Debug.h"
57 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
60 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
61 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
62 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
63 using namespace llvm;
64
65 STATISTIC(NumRemoved , "Number of aux indvars removed");
66 STATISTIC(NumInserted, "Number of canonical indvars added");
67 STATISTIC(NumReplaced, "Number of exit values replaced");
68 STATISTIC(NumLFTR    , "Number of loop exit tests replaced");
69
70 namespace {
71   class IndVarSimplify : public LoopPass {
72     IVUsers         *IU;
73     LoopInfo        *LI;
74     ScalarEvolution *SE;
75     DominatorTree   *DT;
76     bool Changed;
77   public:
78
79     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
80     IndVarSimplify() : LoopPass(&ID) {}
81
82     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
83
84     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
85       AU.addRequired<DominatorTree>();
86       AU.addRequired<LoopInfo>();
87       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
88       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
89       AU.addRequiredID(LCSSAID);
90       AU.addRequired<IVUsers>();
91       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
92       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
93       AU.addPreservedID(LCSSAID);
94       AU.addPreserved<IVUsers>();
95       AU.setPreservesCFG();
96     }
97
98   private:
99
100     void EliminateIVComparisons();
101     void EliminateIVRemainders();
102     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
103
104     ICmpInst *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
105                                    PHINode *IndVar,
106                                    BasicBlock *ExitingBlock,
107                                    BranchInst *BI,
108                                    SCEVExpander &Rewriter);
109     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
110
111     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
112
113     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
114
115     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
116   };
117 }
118
119 char IndVarSimplify::ID = 0;
120 static RegisterPass<IndVarSimplify>
121 X("indvars", "Canonicalize Induction Variables");
122
123 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
124   return new IndVarSimplify();
125 }
126
127 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
128 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
129 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
130 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
131 /// is actually a much broader range than just linear tests.
132 ICmpInst *IndVarSimplify::LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
133                                    const SCEV *BackedgeTakenCount,
134                                    PHINode *IndVar,
135                                    BasicBlock *ExitingBlock,
136                                    BranchInst *BI,
137                                    SCEVExpander &Rewriter) {
138   // Special case: If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a
139   // UDiv that ScalarEvolution produced in order to compute a precise
140   // expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't find a
141   // UDiv in the code with some simple searching, assume the former and forego
142   // rewriting the loop.
143   if (isa<SCEVUDivExpr>(BackedgeTakenCount)) {
144     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
145     if (!OrigCond) return 0;
146     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
147     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
148     if (R != BackedgeTakenCount) {
149       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
150       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
151       if (L != BackedgeTakenCount)
152         return 0;
153     }
154   }
155
156   // If the exiting block is not the same as the backedge block, we must compare
157   // against the preincremented value, otherwise we prefer to compare against
158   // the post-incremented value.
159   Value *CmpIndVar;
160   const SCEV *RHS = BackedgeTakenCount;
161   if (ExitingBlock == L->getLoopLatch()) {
162     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
163     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
164     // cast the induction variable before doing the add.
165     const SCEV *Zero = SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 0);
166     const SCEV *N =
167       SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
168                      SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
169     if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
170         SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
171       // No overflow. Cast the sum.
172       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, IndVar->getType());
173     } else {
174       // Potential overflow. Cast before doing the add.
175       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
176                                         IndVar->getType());
177       RHS = SE->getAddExpr(RHS,
178                            SE->getConstant(IndVar->getType(), 1));
179     }
180
181     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
182     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
183     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
184     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(ExitingBlock);
185   } else {
186     // We have to use the preincremented value...
187     RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
188                                       IndVar->getType());
189     CmpIndVar = IndVar;
190   }
191
192   // Expand the code for the iteration count.
193   assert(RHS->isLoopInvariant(L) &&
194          "Computed iteration count is not loop invariant!");
195   Value *ExitCnt = Rewriter.expandCodeFor(RHS, IndVar->getType(), BI);
196
197   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
198   ICmpInst::Predicate Opcode;
199   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
200     Opcode = ICmpInst::ICMP_NE;
201   else
202     Opcode = ICmpInst::ICMP_EQ;
203
204   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
205                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
206                << "       op:\t"
207                << (Opcode == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
208                << "      RHS:\t" << *RHS << "\n");
209
210   ICmpInst *Cond = new ICmpInst(BI, Opcode, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
211
212   Value *OrigCond = BI->getCondition();
213   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
214   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
215   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
216   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
217   // will make old comparison dead.
218   BI->setCondition(Cond);
219   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(OrigCond);
220
221   ++NumLFTR;
222   Changed = true;
223   return Cond;
224 }
225
226 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
227 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
228 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
229 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
230 /// the loop that use the final values of the current expressions.
231 ///
232 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
233 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
234 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
235 /// constant operands at the beginning of the loop.
236 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L,
237                                            SCEVExpander &Rewriter) {
238   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
239   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
240
241   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
242   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
243
244   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
245   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
246   // the exit blocks of the loop to find them.
247   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
248     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
249
250     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
251     // inside the loop are used on this path, skip it.
252     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
253     if (!PN) continue;
254
255     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
256
257     // Iterate over all of the PHI nodes.
258     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
259     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
260       if (PN->use_empty())
261         continue; // dead use, don't replace it
262
263       // SCEV only supports integer expressions for now.
264       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
265         continue;
266
267       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
268       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
269       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
270       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
271       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
272       SE->forgetValue(PN);
273
274       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
275       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
276         // If the value being merged in is not integer or is not defined
277         // in the loop, skip it.
278         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
279         if (!isa<Instruction>(InVal))
280           continue;
281
282         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
283         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
284           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
285
286         // Check that InVal is defined in the loop.
287         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
288         if (!L->contains(Inst))
289           continue;
290
291         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
292         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
293         // contains when the loop exits, if possible.
294         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
295         if (!ExitValue->isLoopInvariant(L))
296           continue;
297
298         Changed = true;
299         ++NumReplaced;
300
301         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
302
303         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
304                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
305
306         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
307
308         // If this instruction is dead now, delete it.
309         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
310
311         if (NumPreds == 1) {
312           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
313           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
314           // node anymore.
315           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
316           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
317         }
318       }
319       if (NumPreds != 1) {
320         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
321         // any other maps purge the original user from their records.
322         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
323         NewPN->takeName(PN);
324         NewPN->insertBefore(PN);
325         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
326         PN->eraseFromParent();
327       }
328     }
329   }
330
331   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
332   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
333   Rewriter.clearInsertPoint();
334 }
335
336 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
337   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
338   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
339   // the SCEV routines.
340   //
341   BasicBlock *Header    = L->getHeader();
342
343   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
344   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
345        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
346     PHIs.push_back(PN);
347
348   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
349     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(PHIs[i]))
350       HandleFloatingPointIV(L, PN);
351
352   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
353   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
354   // re-writing, the trip count may be computable.
355   if (Changed)
356     SE->forgetLoop(L);
357 }
358
359 void IndVarSimplify::EliminateIVComparisons() {
360   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
361
362   // Look for ICmp users.
363   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
364     IVStrideUse &UI = *I;
365     ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UI.getUser());
366     if (!ICmp) continue;
367
368     bool Swapped = UI.getOperandValToReplace() == ICmp->getOperand(1);
369     ICmpInst::Predicate Pred = ICmp->getPredicate();
370     if (Swapped) Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
371
372     // Get the SCEVs for the ICmp operands.
373     const SCEV *S = IU->getReplacementExpr(UI);
374     const SCEV *X = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(!Swapped));
375
376     // Simplify unnecessary loops away.
377     const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(ICmp->getParent());
378     S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
379     X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
380
381     // If the condition is always true or always false, replace it with
382     // a constant value.
383     if (SE->isKnownPredicate(Pred, S, X))
384       ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getTrue(ICmp->getContext()));
385     else if (SE->isKnownPredicate(ICmpInst::getInversePredicate(Pred), S, X))
386       ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getFalse(ICmp->getContext()));
387     else
388       continue;
389
390     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated comparison: " << *ICmp << '\n');
391     DeadInsts.push_back(ICmp);
392   }
393
394   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
395   // which are now dead.
396   while (!DeadInsts.empty())
397     if (Instruction *Inst =
398           dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
399       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
400 }
401
402 void IndVarSimplify::EliminateIVRemainders() {
403   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
404
405   // Look for SRem and URem users.
406   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
407     IVStrideUse &UI = *I;
408     BinaryOperator *Rem = dyn_cast<BinaryOperator>(UI.getUser());
409     if (!Rem) continue;
410
411     bool isSigned = Rem->getOpcode() == Instruction::SRem;
412     if (!isSigned && Rem->getOpcode() != Instruction::URem)
413       continue;
414
415     // We're only interested in the case where we know something about
416     // the numerator.
417     if (UI.getOperandValToReplace() != Rem->getOperand(0))
418       continue;
419
420     // Get the SCEVs for the ICmp operands.
421     const SCEV *S = SE->getSCEV(Rem->getOperand(0));
422     const SCEV *X = SE->getSCEV(Rem->getOperand(1));
423
424     // Simplify unnecessary loops away.
425     const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(Rem->getParent());
426     S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
427     X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
428
429     // i % n  -->  i  if i is in [0,n).
430     if ((!isSigned || SE->isKnownNonNegative(S)) &&
431         SE->isKnownPredicate(isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
432                              S, X))
433       Rem->replaceAllUsesWith(Rem->getOperand(0));
434     else {
435       // (i+1) % n  -->  (i+1)==n?0:(i+1)  if i is in [0,n).
436       const SCEV *LessOne =
437         SE->getMinusSCEV(S, SE->getConstant(S->getType(), 1));
438       if ((!isSigned || SE->isKnownNonNegative(LessOne)) &&
439           SE->isKnownPredicate(isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
440                                LessOne, X)) {
441         ICmpInst *ICmp = new ICmpInst(Rem, ICmpInst::ICMP_EQ,
442                                       Rem->getOperand(0), Rem->getOperand(1),
443                                       "tmp");
444         SelectInst *Sel =
445           SelectInst::Create(ICmp,
446                              ConstantInt::get(Rem->getType(), 0),
447                              Rem->getOperand(0), "tmp", Rem);
448         Rem->replaceAllUsesWith(Sel);
449       } else
450         continue;
451     }
452
453     // Inform IVUsers about the new users.
454     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Rem->getOperand(0)))
455       IU->AddUsersIfInteresting(I);
456
457     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Simplified rem: " << *Rem << '\n');
458     DeadInsts.push_back(Rem);
459   }
460
461   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
462   // which are now dead.
463   while (!DeadInsts.empty())
464     if (Instruction *Inst =
465           dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
466       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
467 }
468
469 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
470   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
471   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
472   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
473   //    afterwards.
474   //  - We depend on having a preheader; in particular,
475   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
476   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
477   //    we've manually inserted one.
478   if (!L->isLoopSimplifyForm())
479     return false;
480
481   IU = &getAnalysis<IVUsers>();
482   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
483   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
484   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
485   Changed = false;
486
487   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
488   // transform them to use integer recurrences.
489   RewriteNonIntegerIVs(L);
490
491   BasicBlock *ExitingBlock = L->getExitingBlock(); // may be null
492   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
493
494   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
495   SCEVExpander Rewriter(*SE);
496
497   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
498   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
499   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
500   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
501   // the current expressions.
502   //
503   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
504     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
505
506   // Simplify ICmp IV users.
507   EliminateIVComparisons();
508
509   // Simplify SRem and URem IV users.
510   EliminateIVRemainders();
511
512   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
513   // a canonical induction variable should be inserted.
514   const Type *LargestType = 0;
515   bool NeedCannIV = false;
516   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
517     LargestType = BackedgeTakenCount->getType();
518     LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(LargestType);
519     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
520     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
521     // canonical induction variable.
522     if (ExitingBlock)
523       NeedCannIV = true;
524   }
525   for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
526     const Type *Ty =
527       SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
528     if (!LargestType ||
529         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
530           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
531       LargestType = Ty;
532     NeedCannIV = true;
533   }
534
535   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
536   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
537   PHINode *IndVar = 0;
538   if (NeedCannIV) {
539     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
540     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
541     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
542     // doesn't attempt to reuse them.
543     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
544     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
545       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
546           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
547         OldCannIV->removeFromParent();
548       else
549         break;
550       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
551     }
552
553     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
554
555     ++NumInserted;
556     Changed = true;
557     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
558
559     // Now that the official induction variable is established, reinsert
560     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
561     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
562     // the end of the pass.
563     while (!OldCannIVs.empty()) {
564       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
565       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstNonPHI());
566     }
567   }
568
569   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
570   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
571   ICmpInst *NewICmp = 0;
572   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) &&
573       !BackedgeTakenCount->isZero() &&
574       ExitingBlock) {
575     assert(NeedCannIV &&
576            "LinearFunctionTestReplace requires a canonical induction variable");
577     // Can't rewrite non-branch yet.
578     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator()))
579       NewICmp = LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
580                                           ExitingBlock, BI, Rewriter);
581   }
582
583   // Rewrite IV-derived expressions. Clears the rewriter cache.
584   RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
585
586   // The Rewriter may not be used from this point on.
587
588   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
589   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
590   SinkUnusedInvariants(L);
591
592   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
593   // loop exit test instruction.
594   if (NewICmp)
595     IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmp->getOperand(0)));
596
597   // Clean up dead instructions.
598   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
599   // Check a post-condition.
600   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
601   return Changed;
602 }
603
604 // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
605 // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
606 // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
607 // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
608 // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
609 // it can be expanded to a trivial value.
610 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L) {
611   // Loop-invariant values are safe.
612   if (S->isLoopInvariant(L)) return true;
613
614   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
615   // to transform them into efficient code.
616   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
617     return AR->isAffine();
618
619   // An add is safe it all its operands are safe.
620   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
621     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
622          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
623       if (!isSafe(*I, L)) return false;
624     return true;
625   }
626   
627   // A cast is safe if its operand is.
628   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
629     return isSafe(C->getOperand(), L);
630
631   // A udiv is safe if its operands are.
632   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
633     return isSafe(UD->getLHS(), L) &&
634            isSafe(UD->getRHS(), L);
635
636   // SCEVUnknown is always safe.
637   if (isa<SCEVUnknown>(S))
638     return true;
639
640   // Nothing else is safe.
641   return false;
642 }
643
644 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
645   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
646
647   // Rewrite all induction variable expressions in terms of the canonical
648   // induction variable.
649   //
650   // If there were induction variables of other sizes or offsets, manually
651   // add the offsets to the primary induction variable and cast, avoiding
652   // the need for the code evaluation methods to insert induction variables
653   // of different sizes.
654   for (IVUsers::iterator UI = IU->begin(), E = IU->end(); UI != E; ++UI) {
655     Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
656     const Type *UseTy = Op->getType();
657     Instruction *User = UI->getUser();
658
659     // Compute the final addrec to expand into code.
660     const SCEV *AR = IU->getReplacementExpr(*UI);
661
662     // Evaluate the expression out of the loop, if possible.
663     if (!L->contains(UI->getUser())) {
664       const SCEV *ExitVal = SE->getSCEVAtScope(AR, L->getParentLoop());
665       if (ExitVal->isLoopInvariant(L))
666         AR = ExitVal;
667     }
668
669     // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
670     // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
671     // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
672     // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
673     // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
674     // it can be expanded to a trivial value.
675     if (!isSafe(AR, L))
676       continue;
677
678     // Determine the insertion point for this user. By default, insert
679     // immediately before the user. The SCEVExpander class will automatically
680     // hoist loop invariants out of the loop. For PHI nodes, there may be
681     // multiple uses, so compute the nearest common dominator for the
682     // incoming blocks.
683     Instruction *InsertPt = User;
684     if (PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(InsertPt))
685       for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
686         if (PHI->getIncomingValue(i) == Op) {
687           if (InsertPt == User)
688             InsertPt = PHI->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
689           else
690             InsertPt =
691               DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(),
692                                              PHI->getIncomingBlock(i))
693                     ->getTerminator();
694         }
695
696     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
697     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
698
699     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
700     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
701     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
702     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
703     // deleted.
704     SE->forgetValue(User);
705
706     // Patch the new value into place.
707     if (Op->hasName())
708       NewVal->takeName(Op);
709     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
710     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
711     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
712                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
713     ++NumRemoved;
714     Changed = true;
715
716     // The old value may be dead now.
717     DeadInsts.push_back(Op);
718   }
719
720   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
721   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
722   // trigger.
723   Rewriter.clear();
724   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
725   // which are now dead.
726   while (!DeadInsts.empty())
727     if (Instruction *Inst =
728           dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
729       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
730 }
731
732 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
733 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
734 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
735 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
736   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
737   if (!ExitBlock) return;
738
739   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
740   if (!Preheader) return;
741
742   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
743   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
744   while (I != Preheader->begin()) {
745     --I;
746     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
747     if (isa<PHINode>(I))
748       break;
749
750     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
751     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
752     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
753     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
754     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
755     // block.
756     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
757       continue;
758
759     // Skip debug info intrinsics.
760     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
761       continue;
762
763     // Don't sink static AllocaInsts out of the entry block, which would
764     // turn them into dynamic allocas!
765     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
766       if (AI->isStaticAlloca())
767         continue;
768
769     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
770     // otherwise).
771     bool UsedInLoop = false;
772     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
773          UI != UE; ++UI) {
774       User *U = *UI;
775       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
776       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
777         unsigned i =
778           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
779         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
780       }
781       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
782         UsedInLoop = true;
783         break;
784       }
785     }
786
787     // If there is, the def must remain in the preheader.
788     if (UsedInLoop)
789       continue;
790
791     // Otherwise, sink it to the exit block.
792     Instruction *ToMove = I;
793     bool Done = false;
794
795     if (I != Preheader->begin()) {
796       // Skip debug info intrinsics.
797       do {
798         --I;
799       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
800
801       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
802         Done = true;
803     } else {
804       Done = true;
805     }
806
807     ToMove->moveBefore(InsertPt);
808     if (Done) break;
809     InsertPt = ToMove;
810   }
811 }
812
813 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
814 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
815   bool isExact = false;
816   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
817     return false;
818   // See if we can convert this to an int64_t
819   uint64_t UIntVal;
820   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
821                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
822     return false;
823   IntVal = UIntVal;
824   return true;
825 }
826
827 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
828 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
829 /// For example,
830 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
831 ///   bar(i)
832 /// is converted into
833 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
834 ///   bar((double)i);
835 ///
836 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
837   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
838   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
839
840   // Check incoming value.
841   ConstantFP *InitValueVal =
842     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
843
844   int64_t InitValue;
845   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
846     return;
847
848   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
849   // an add or increment value can not be represented by an integer.
850   BinaryOperator *Incr =
851     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
852   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
853   
854   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
855   // is not an integer, bail out.
856   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
857   int64_t IncValue;
858   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
859       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
860     return;
861
862   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
863   // used by the conditional terminator.
864   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
865   Instruction *U1 = cast<Instruction>(IncrUse++);
866   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
867   Instruction *U2 = cast<Instruction>(IncrUse++);
868   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
869
870   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
871   // only used by a branch, we can't transform it.
872   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
873   if (!Compare)
874     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
875   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
876       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
877     return;
878   
879   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
880
881   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
882   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
883   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
884   // of the loop.
885   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
886   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
887       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
888        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
889     return;
890   
891   
892   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
893   // transform it.
894   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
895   int64_t ExitValue;
896   if (ExitValueVal == 0 ||
897       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
898     return;
899   
900   // Find new predicate for integer comparison.
901   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
902   switch (Compare->getPredicate()) {
903   default: return;  // Unknown comparison.
904   case CmpInst::FCMP_OEQ:
905   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
906   case CmpInst::FCMP_ONE:
907   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
908   case CmpInst::FCMP_OGT:
909   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
910   case CmpInst::FCMP_OGE:
911   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
912   case CmpInst::FCMP_OLT:
913   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
914   case CmpInst::FCMP_OLE:
915   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
916   }
917   
918   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
919   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
920   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
921   // now.
922   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
923   
924   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
925   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
926     return;
927
928   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
929   if (IncValue == 0)
930     return;
931
932   // Positive and negative strides have different safety conditions.
933   if (IncValue > 0) {
934     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
935     // exit value and an equality or less than comparison.
936     if (InitValue >= ExitValue ||
937         NewPred == CmpInst::ICMP_SGT || NewPred == CmpInst::ICMP_SGE)
938       return;
939     
940     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
941     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE) {
942       // Normalize SLE -> SLT, check for infinite loop.
943       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
944     }
945     
946     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
947     
948     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
949     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
950     // around and do things the fp IV wouldn't.
951     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
952         Leftover != 0)
953       return;
954     
955     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
956     // transform the IV.
957     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
958       return;
959     
960   } else {
961     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
962     // exit value and an equality or greater than comparison.
963     if (InitValue >= ExitValue ||
964         NewPred == CmpInst::ICMP_SLT || NewPred == CmpInst::ICMP_SLE)
965       return;
966     
967     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
968     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE) {
969       // Normalize SGE -> SGT, check for infinite loop.
970       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
971     }
972     
973     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
974     
975     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
976     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
977     // around and do things the fp IV wouldn't.
978     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
979         Leftover != 0)
980       return;
981     
982     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
983     // transform the IV.
984     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
985       return;
986   }
987   
988   const IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
989
990   // Insert new integer induction variable.
991   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, PN->getName()+".int", PN);
992   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
993                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
994
995   Value *NewAdd =
996     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
997                               Incr->getName()+".int", Incr);
998   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
999
1000   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
1001                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
1002                                       Compare->getName());
1003
1004   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
1005   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
1006   WeakVH WeakPH = PN;
1007
1008   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
1009   // new comparison.
1010   NewCompare->takeName(Compare);
1011   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
1012   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
1013
1014   // Delete the old floating point increment.
1015   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
1016   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
1017
1018   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
1019   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
1020   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
1021   // int->fp cast.
1022   //
1023   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
1024   // platforms.
1025   if (WeakPH) {
1026     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
1027                                  PN->getParent()->getFirstNonPHI());
1028     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
1029     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
1030   }
1031
1032   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
1033   IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI);
1034 }