[IndVars] Use `auto`; NFC
[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 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
15 // changes:
16 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
17 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
18 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
19 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
20 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
21 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
22 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
23 //      expression, this transformation will make the loop dead.
24 //
25 //===----------------------------------------------------------------------===//
26
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
33 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
34 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
35 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
36 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
37 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
38 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
39 #include "llvm/IR/CFG.h"
40 #include "llvm/IR/Constants.h"
41 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
42 #include "llvm/IR/Dominators.h"
43 #include "llvm/IR/Instructions.h"
44 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
45 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
46 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
47 #include "llvm/IR/Type.h"
48 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
49 #include "llvm/Support/Debug.h"
50 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
51 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
52 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
53 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
54 using namespace llvm;
55
56 #define DEBUG_TYPE "indvars"
57
58 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
59 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
60 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
61 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
62 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
63
64 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
65 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
66 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
67 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
68   "verify-indvars", cl::Hidden,
69   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
70
71 static cl::opt<bool> ReduceLiveIVs("liv-reduce", cl::Hidden,
72   cl::desc("Reduce live induction variables."));
73
74 enum ReplaceExitVal { NeverRepl, OnlyCheapRepl, AlwaysRepl };
75
76 static cl::opt<ReplaceExitVal> ReplaceExitValue(
77     "replexitval", cl::Hidden, cl::init(OnlyCheapRepl),
78     cl::desc("Choose the strategy to replace exit value in IndVarSimplify"),
79     cl::values(clEnumValN(NeverRepl, "never", "never replace exit value"),
80                clEnumValN(OnlyCheapRepl, "cheap",
81                           "only replace exit value when the cost is cheap"),
82                clEnumValN(AlwaysRepl, "always",
83                           "always replace exit value whenever possible"),
84                clEnumValEnd));
85
86 namespace {
87 struct RewritePhi;
88 }
89
90 namespace {
91 class IndVarSimplify : public LoopPass {
92   LoopInfo                  *LI;
93   ScalarEvolution           *SE;
94   DominatorTree             *DT;
95   TargetLibraryInfo         *TLI;
96   const TargetTransformInfo *TTI;
97
98   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
99   bool Changed;
100 public:
101
102   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
103   IndVarSimplify()
104     : LoopPass(ID), LI(nullptr), SE(nullptr), DT(nullptr), Changed(false) {
105     initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
106   }
107
108   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
109
110   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
111     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
112     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
113     AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
114     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
115     AU.addRequiredID(LCSSAID);
116     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
117     AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
118     AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
119     AU.addPreservedID(LCSSAID);
120     AU.setPreservesCFG();
121   }
122
123 private:
124   void releaseMemory() override {
125     DeadInsts.clear();
126   }
127
128   bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
129
130   void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
131   void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
132
133   void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
134
135   bool CanLoopBeDeleted(Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet);
136   void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
137
138   Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
139                                    PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
140
141   void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
142
143   Value *ExpandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S, Loop *L,
144                             Instruction *InsertPt, Type *Ty);
145 };
146 }
147
148 char IndVarSimplify::ID = 0;
149 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
150                 "Induction Variable Simplification", false, false)
151 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
152 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
153 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
154 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
155 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
156 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
157                 "Induction Variable Simplification", false, false)
158
159 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
160   return new IndVarSimplify();
161 }
162
163 /// Return true if the SCEV expansion generated by the rewriter can replace the
164 /// original value. SCEV guarantees that it produces the same value, but the way
165 /// it is produced may be illegal IR.  Ideally, this function will only be
166 /// called for verification.
167 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
168   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
169   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
170   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
171   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
172   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
173   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
174   // bail out here.
175   //
176   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
177   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
178   Value *FromPtr = FromVal;
179   Value *ToPtr = ToVal;
180   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
181     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
182   }
183   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
184     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
185   }
186   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
187     // Quickly check the common case
188     if (FromPtr == ToPtr)
189       return true;
190
191     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
192     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
193     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
194     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
195     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
196     // indexed by an integer recurrence.
197
198     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
199     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
200       return false;
201
202     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
203     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
204     if (FromBase == ToBase)
205       return true;
206
207     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
208           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
209
210     return false;
211   }
212   return true;
213 }
214
215 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
216 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
217 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
218 /// common dominator for the incoming blocks.
219 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
220                                           DominatorTree *DT) {
221   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
222   if (!PHI)
223     return User;
224
225   Instruction *InsertPt = nullptr;
226   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
227     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
228       continue;
229
230     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
231     if (!InsertPt) {
232       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
233       continue;
234     }
235     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
236     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
237   }
238   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
239   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
240           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
241          "def does not dominate all uses");
242   return InsertPt;
243 }
244
245 //===----------------------------------------------------------------------===//
246 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
247 //===----------------------------------------------------------------------===//
248
249 /// Convert APF to an integer, if possible.
250 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
251   bool isExact = false;
252   // See if we can convert this to an int64_t
253   uint64_t UIntVal;
254   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
255                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
256     return false;
257   IntVal = UIntVal;
258   return true;
259 }
260
261 /// If the loop has floating induction variable then insert corresponding
262 /// integer induction variable if possible.
263 /// For example,
264 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
265 ///   bar(i)
266 /// is converted into
267 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
268 ///   bar((double)i);
269 ///
270 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
271   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
272   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
273
274   // Check incoming value.
275   ConstantFP *InitValueVal =
276     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
277
278   int64_t InitValue;
279   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
280     return;
281
282   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
283   // an add or increment value can not be represented by an integer.
284   BinaryOperator *Incr =
285     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
286   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
287
288   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
289   // is not an integer, bail out.
290   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
291   int64_t IncValue;
292   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
293       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
294     return;
295
296   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
297   // used by the conditional terminator.
298   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
299   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
300   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
301   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
302   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
303
304   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
305   // only used by a branch, we can't transform it.
306   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
307   if (!Compare)
308     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
309   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
310       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
311     return;
312
313   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
314
315   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
316   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
317   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
318   // of the loop.
319   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
320   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
321       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
322        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
323     return;
324
325
326   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
327   // transform it.
328   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
329   int64_t ExitValue;
330   if (ExitValueVal == nullptr ||
331       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
332     return;
333
334   // Find new predicate for integer comparison.
335   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
336   switch (Compare->getPredicate()) {
337   default: return;  // Unknown comparison.
338   case CmpInst::FCMP_OEQ:
339   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
340   case CmpInst::FCMP_ONE:
341   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
342   case CmpInst::FCMP_OGT:
343   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
344   case CmpInst::FCMP_OGE:
345   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
346   case CmpInst::FCMP_OLT:
347   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
348   case CmpInst::FCMP_OLE:
349   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
350   }
351
352   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
353   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
354   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
355   // now.
356   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
357
358   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
359   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
360     return;
361
362   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
363   if (IncValue == 0)
364     return;
365
366   // Positive and negative strides have different safety conditions.
367   if (IncValue > 0) {
368     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
369     // exit value.
370     if (InitValue >= ExitValue)
371       return;
372
373     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
374     // Check for infinite loop, either:
375     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
376     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
377       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
378     }
379
380     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
381
382     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
383     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
384     // around and do things the fp IV wouldn't.
385     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
386         Leftover != 0)
387       return;
388
389     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
390     // transform the IV.
391     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
392       return;
393
394   } else {
395     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
396     // exit value.
397     if (InitValue <= ExitValue)
398       return;
399
400     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
401     // Check for infinite loop, either:
402     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
403     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
404       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
405     }
406
407     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
408
409     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
410     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
411     // around and do things the fp IV wouldn't.
412     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
413         Leftover != 0)
414       return;
415
416     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
417     // transform the IV.
418     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
419       return;
420   }
421
422   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
423
424   // Insert new integer induction variable.
425   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
426   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
427                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
428
429   Value *NewAdd =
430     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
431                               Incr->getName()+".int", Incr);
432   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
433
434   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
435                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
436                                       Compare->getName());
437
438   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
439   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
440   WeakVH WeakPH = PN;
441
442   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
443   // new comparison.
444   NewCompare->takeName(Compare);
445   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
446   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
447
448   // Delete the old floating point increment.
449   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
450   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
451
452   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
453   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
454   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
455   // int->fp cast.
456   //
457   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
458   // platforms.
459   if (WeakPH) {
460     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
461                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
462     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
463     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
464   }
465   Changed = true;
466 }
467
468 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
469   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
470   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
471   // the SCEV routines.
472   //
473   BasicBlock *Header = L->getHeader();
474
475   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
476   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
477        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
478     PHIs.push_back(PN);
479
480   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
481     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
482       HandleFloatingPointIV(L, PN);
483
484   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
485   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
486   // re-writing, the trip count may be computable.
487   if (Changed)
488     SE->forgetLoop(L);
489 }
490
491 namespace {
492 // Collect information about PHI nodes which can be transformed in
493 // RewriteLoopExitValues.
494 struct RewritePhi {
495   PHINode *PN;
496   unsigned Ith;  // Ith incoming value.
497   Value *Val;    // Exit value after expansion.
498   bool HighCost; // High Cost when expansion.
499   bool SafePhi;  // LCSSASafePhiForRAUW.
500
501   RewritePhi(PHINode *P, unsigned I, Value *V, bool H, bool S)
502       : PN(P), Ith(I), Val(V), HighCost(H), SafePhi(S) {}
503 };
504 }
505
506 Value *IndVarSimplify::ExpandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S,
507                                           Loop *L, Instruction *InsertPt,
508                                           Type *ResultTy) {
509   // Before expanding S into an expensive LLVM expression, see if we can use an
510   // already existing value as the expansion for S.
511   if (Value *ExistingValue = Rewriter.findExistingExpansion(S, InsertPt, L))
512     if (ExistingValue->getType() == ResultTy)
513       return ExistingValue;
514
515   // We didn't find anything, fall back to using SCEVExpander.
516   return Rewriter.expandCodeFor(S, ResultTy, InsertPt);
517 }
518
519 //===----------------------------------------------------------------------===//
520 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
521 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
522 //===----------------------------------------------------------------------===//
523
524 /// Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
525 /// If so, this means that we can compute the final value of any expressions
526 /// that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the loop
527 /// into any instructions outside of the loop that use the final values of the
528 /// current expressions.
529 ///
530 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
531 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
532 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
533 /// constant operands at the beginning of the loop.
534 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
535   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
536   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
537
538   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
539   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
540
541   SmallVector<RewritePhi, 8> RewritePhiSet;
542   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
543   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
544   // the exit blocks of the loop to find them.
545   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
546     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
547
548     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
549     // inside the loop are used on this path, skip it.
550     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
551     if (!PN) continue;
552
553     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
554
555     // We would like to be able to RAUW single-incoming value PHI nodes. We
556     // have to be certain this is safe even when this is an LCSSA PHI node.
557     // While the computed exit value is no longer varying in *this* loop, the
558     // exit block may be an exit block for an outer containing loop as well,
559     // the exit value may be varying in the outer loop, and thus it may still
560     // require an LCSSA PHI node. The safe case is when this is
561     // single-predecessor PHI node (LCSSA) and the exit block containing it is
562     // part of the enclosing loop, or this is the outer most loop of the nest.
563     // In either case the exit value could (at most) be varying in the same
564     // loop body as the phi node itself. Thus if it is in turn used outside of
565     // an enclosing loop it will only be via a separate LCSSA node.
566     bool LCSSASafePhiForRAUW =
567         NumPreds == 1 &&
568         (!L->getParentLoop() || L->getParentLoop() == LI->getLoopFor(ExitBB));
569
570     // Iterate over all of the PHI nodes.
571     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
572     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
573       if (PN->use_empty())
574         continue; // dead use, don't replace it
575
576       // SCEV only supports integer expressions for now.
577       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
578         continue;
579
580       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
581       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
582       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
583       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
584       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
585       SE->forgetValue(PN);
586
587       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
588       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
589         // If the value being merged in is not integer or is not defined
590         // in the loop, skip it.
591         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
592         if (!isa<Instruction>(InVal))
593           continue;
594
595         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
596         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
597           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
598
599         // Check that InVal is defined in the loop.
600         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
601         if (!L->contains(Inst))
602           continue;
603
604         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
605         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
606         // contains when the loop exits, if possible.
607         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
608         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
609             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
610           continue;
611
612         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
613         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
614         //    optimized away.
615         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
616         //    computation out of the loop
617         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
618           unsigned NumHardInternalUses = 0;
619           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
620           unsigned NumUses = 0;
621           for (auto IB = Inst->user_begin(), IE = Inst->user_end();
622                IB != IE && NumUses <= 6; ++IB) {
623             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
624             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
625             NumUses++;
626             if (L->contains(UseInstr)) {
627               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
628                 NumHardInternalUses++;
629             } else {
630               if (Opc == Instruction::PHI) {
631                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
632                 // plenty of trivial ones.
633                 NumUses--;
634                 for (auto PB = UseInstr->user_begin(),
635                           PE = UseInstr->user_end();
636                      PB != PE && NumUses <= 6; ++PB, ++NumUses) {
637                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
638                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
639                     NumSoftExternalUses++;
640                 }
641                 continue;
642               }
643               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
644                 NumSoftExternalUses++;
645             }
646           }
647           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
648             continue;
649         }
650
651         bool HighCost = Rewriter.isHighCostExpansion(ExitValue, L, Inst);
652         Value *ExitVal =
653             ExpandSCEVIfNeeded(Rewriter, ExitValue, L, Inst, PN->getType());
654
655         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
656                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
657
658         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
659           DeadInsts.push_back(ExitVal);
660           continue;
661         }
662
663         // Collect all the candidate PHINodes to be rewritten.
664         RewritePhiSet.push_back(
665             RewritePhi(PN, i, ExitVal, HighCost, LCSSASafePhiForRAUW));
666       }
667     }
668   }
669
670   bool LoopCanBeDel = CanLoopBeDeleted(L, RewritePhiSet);
671
672   // Transformation.
673   for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
674     PHINode *PN = Phi.PN;
675     Value *ExitVal = Phi.Val;
676
677     // Only do the rewrite when the ExitValue can be expanded cheaply.
678     // If LoopCanBeDel is true, rewrite exit value aggressively.
679     if (ReplaceExitValue == OnlyCheapRepl && !LoopCanBeDel && Phi.HighCost) {
680       DeadInsts.push_back(ExitVal);
681       continue;
682     }
683
684     Changed = true;
685     ++NumReplaced;
686     Instruction *Inst = cast<Instruction>(PN->getIncomingValue(Phi.Ith));
687     PN->setIncomingValue(Phi.Ith, ExitVal);
688
689     // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
690     // invalidating iterators.
691     if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
692       DeadInsts.push_back(Inst);
693
694     // If we determined that this PHI is safe to replace even if an LCSSA
695     // PHI, do so.
696     if (Phi.SafePhi) {
697       PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
698       PN->eraseFromParent();
699     }
700   }
701
702   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
703   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
704   Rewriter.clearInsertPoint();
705 }
706
707 /// Check whether it is possible to delete the loop after rewriting exit
708 /// value. If it is possible, ignore ReplaceExitValue and do rewriting
709 /// aggressively.
710 bool IndVarSimplify::CanLoopBeDeleted(
711     Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet) {
712
713   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
714   // If there is no preheader, the loop will not be deleted.
715   if (!Preheader)
716     return false;
717
718   // In LoopDeletion pass Loop can be deleted when ExitingBlocks.size() > 1.
719   // We obviate multiple ExitingBlocks case for simplicity.
720   // TODO: If we see testcase with multiple ExitingBlocks can be deleted
721   // after exit value rewriting, we can enhance the logic here.
722   SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
723   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
724   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
725   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
726   if (ExitBlocks.size() > 1 || ExitingBlocks.size() > 1)
727     return false;
728
729   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
730   BasicBlock::iterator BI = ExitBlock->begin();
731   while (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(BI)) {
732     Value *Incoming = P->getIncomingValueForBlock(ExitingBlocks[0]);
733
734     // If the Incoming value of P is found in RewritePhiSet, we know it
735     // could be rewritten to use a loop invariant value in transformation
736     // phase later. Skip it in the loop invariant check below.
737     bool found = false;
738     for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
739       unsigned i = Phi.Ith;
740       if (Phi.PN == P && (Phi.PN)->getIncomingValue(i) == Incoming) {
741         found = true;
742         break;
743       }
744     }
745
746     Instruction *I;
747     if (!found && (I = dyn_cast<Instruction>(Incoming)))
748       if (!L->hasLoopInvariantOperands(I))
749         return false;
750
751     ++BI;
752   }
753
754   for (Loop::block_iterator LI = L->block_begin(), LE = L->block_end();
755        LI != LE; ++LI) {
756     for (BasicBlock::iterator BI = (*LI)->begin(), BE = (*LI)->end(); BI != BE;
757          ++BI) {
758       if (BI->mayHaveSideEffects())
759         return false;
760     }
761   }
762
763   return true;
764 }
765
766 //===----------------------------------------------------------------------===//
767 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
768 //===----------------------------------------------------------------------===//
769
770 namespace {
771 // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
772 // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and provides
773 // the input to WidenIV.
774 struct WideIVInfo {
775   PHINode *NarrowIV = nullptr;
776   Type *WidestNativeType = nullptr; // Widest integer type created [sz]ext
777   bool IsSigned = false;            // Was a sext user seen before a zext?
778 };
779 }
780
781 /// Update information about the induction variable that is extended by this
782 /// sign or zero extend operation. This is used to determine the final width of
783 /// the IV before actually widening it.
784 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
785                         const TargetTransformInfo *TTI) {
786   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
787   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
788     return;
789
790   Type *Ty = Cast->getType();
791   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
792   if (!Cast->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(Width))
793     return;
794
795   // Cast is either an sext or zext up to this point.
796   // We should not widen an indvar if arithmetics on the wider indvar are more
797   // expensive than those on the narrower indvar. We check only the cost of ADD
798   // because at least an ADD is required to increment the induction variable. We
799   // could compute more comprehensively the cost of all instructions on the
800   // induction variable when necessary.
801   if (TTI &&
802       TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add, Ty) >
803           TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add,
804                                       Cast->getOperand(0)->getType())) {
805     return;
806   }
807
808   if (!WI.WidestNativeType) {
809     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
810     WI.IsSigned = IsSigned;
811     return;
812   }
813
814   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
815   if (WI.IsSigned != IsSigned)
816     return;
817
818   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
819     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
820 }
821
822 namespace {
823
824 /// Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the WideIV that
825 /// computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids caching Use*
826 /// pointers.
827 struct NarrowIVDefUse {
828   Instruction *NarrowDef = nullptr;
829   Instruction *NarrowUse = nullptr;
830   Instruction *WideDef = nullptr;
831
832   // True if the narrow def is never negative.  Tracking this information lets
833   // us use a sign extension instead of a zero extension or vice versa, when
834   // profitable and legal.
835   bool NeverNegative = false;
836
837   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD,
838                  bool NeverNegative)
839       : NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD),
840         NeverNegative(NeverNegative) {}
841 };
842
843 /// The goal of this transform is to remove sign and zero extends without
844 /// creating any new induction variables. To do this, it creates a new phi of
845 /// the wider type and redirects all users, either removing extends or inserting
846 /// truncs whenever we stop propagating the type.
847 ///
848 class WidenIV {
849   // Parameters
850   PHINode *OrigPhi;
851   Type *WideType;
852   bool IsSigned;
853
854   // Context
855   LoopInfo        *LI;
856   Loop            *L;
857   ScalarEvolution *SE;
858   DominatorTree   *DT;
859
860   // Result
861   PHINode *WidePhi;
862   Instruction *WideInc;
863   const SCEV *WideIncExpr;
864   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
865
866   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
867   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
868
869 public:
870   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
871           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
872           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
873     OrigPhi(WI.NarrowIV),
874     WideType(WI.WidestNativeType),
875     IsSigned(WI.IsSigned),
876     LI(LInfo),
877     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
878     SE(SEv),
879     DT(DTree),
880     WidePhi(nullptr),
881     WideInc(nullptr),
882     WideIncExpr(nullptr),
883     DeadInsts(DI) {
884     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
885   }
886
887   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
888
889 protected:
890   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
891                    Instruction *Use);
892
893   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
894
895   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
896
897   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
898
899   const SCEV *GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
900                               unsigned OpCode) const;
901
902   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
903
904   bool WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
905
906   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
907 };
908 } // anonymous namespace
909
910 /// Perform a quick domtree based check for loop invariance assuming that V is
911 /// used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems gratuitous for this
912 /// purpose.
913 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
914   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
915   if (!Inst)
916     return true;
917
918   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
919 }
920
921 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
922                           Instruction *Use) {
923   // Set the debug location and conservative insertion point.
924   IRBuilder<> Builder(Use);
925   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
926   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
927        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
928        L = L->getParentLoop())
929     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
930
931   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
932                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
933 }
934
935 /// Instantiate a wide operation to replace a narrow operation. This only needs
936 /// to handle operations that can evaluation to SCEVAddRec. It can safely return
937 /// 0 for any operation we decide not to clone.
938 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
939   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
940   switch (Opcode) {
941   default:
942     return nullptr;
943   case Instruction::Add:
944   case Instruction::Mul:
945   case Instruction::UDiv:
946   case Instruction::Sub:
947   case Instruction::And:
948   case Instruction::Or:
949   case Instruction::Xor:
950   case Instruction::Shl:
951   case Instruction::LShr:
952   case Instruction::AShr:
953     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
954
955     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
956     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
957     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
958     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
959     // WidenIVUse.
960     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
961       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
962     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
963       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
964
965     auto *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
966     auto *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(), LHS, RHS,
967                                           NarrowBO->getName());
968     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
969     Builder.Insert(WideBO);
970     if (const auto *OBO = dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
971       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
972       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
973     }
974     return WideBO;
975   }
976 }
977
978 const SCEV *WidenIV::GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
979                                      unsigned OpCode) const {
980   if (OpCode == Instruction::Add)
981     return SE->getAddExpr(LHS, RHS);
982   if (OpCode == Instruction::Sub)
983     return SE->getMinusSCEV(LHS, RHS);
984   if (OpCode == Instruction::Mul)
985     return SE->getMulExpr(LHS, RHS);
986
987   llvm_unreachable("Unsupported opcode.");
988 }
989
990 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
991 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
992 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
993 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
994 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
995
996   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
997   const unsigned OpCode = DU.NarrowUse->getOpcode();
998   // Only Add/Sub/Mul instructions supported yet.
999   if (OpCode != Instruction::Add && OpCode != Instruction::Sub &&
1000       OpCode != Instruction::Mul)
1001     return nullptr;
1002
1003   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
1004   // if extending the other will lead to a recurrence.
1005   const unsigned ExtendOperIdx =
1006       DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
1007   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
1008
1009   const SCEV *ExtendOperExpr = nullptr;
1010   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
1011     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
1012   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
1013     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
1014       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1015   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
1016     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
1017       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1018   else
1019     return nullptr;
1020
1021   // When creating this SCEV expr, don't apply the current operations NSW or NUW
1022   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
1023   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
1024   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
1025   // semantics to those operations.
1026   const SCEV *lhs = SE->getSCEV(DU.WideDef);
1027   const SCEV *rhs = ExtendOperExpr;
1028
1029   // Let's swap operands to the initial order for the case of non-commutative
1030   // operations, like SUB. See PR21014.
1031   if (ExtendOperIdx == 0)
1032     std::swap(lhs, rhs);
1033   const SCEVAddRecExpr *AddRec =
1034       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(GetSCEVByOpCode(lhs, rhs, OpCode));
1035
1036   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1037     return nullptr;
1038   return AddRec;
1039 }
1040
1041 /// Is this instruction potentially interesting for further simplification after
1042 /// widening it's type? In other words, can the extend be safely hoisted out of
1043 /// the loop with SCEV reducing the value to a recurrence on the same loop. If
1044 /// so, return the sign or zero extended recurrence. Otherwise return NULL.
1045 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
1046   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
1047     return nullptr;
1048
1049   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
1050   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
1051       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
1052     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
1053     // index. So don't follow this use.
1054     return nullptr;
1055   }
1056
1057   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
1058     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
1059     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1060   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
1061   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1062     return nullptr;
1063   return AddRec;
1064 }
1065
1066 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
1067 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
1068 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
1069   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
1070         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
1071   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1072   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1073   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1074 }
1075
1076 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
1077 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
1078 // loop preheader as far as possible.
1079 bool WidenIV::WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
1080   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
1081   if (!Cmp)
1082     return false;
1083
1084   // We can legally widen the comparison in the following two cases:
1085   //
1086   //  - The signedness of the IV extension and comparison match
1087   //
1088   //  - The narrow IV is always positive (and thus its sign extension is equal
1089   //    to its zero extension).  For instance, let's say we're zero extending
1090   //    %narrow for the following use
1091   //
1092   //      icmp slt i32 %narrow, %val   ... (A)
1093   //
1094   //    and %narrow is always positive.  Then
1095   //
1096   //      (A) == icmp slt i32 sext(%narrow), sext(%val)
1097   //          == icmp slt i32 zext(%narrow), sext(%val)
1098
1099   if (!(DU.NeverNegative || IsSigned == Cmp->isSigned()))
1100     return false;
1101
1102   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
1103   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
1104   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1105   assert (CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
1106
1107   // Widen the compare instruction.
1108   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1109   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1110
1111   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
1112   if (CastWidth < IVWidth) {
1113     Value *ExtOp = getExtend(Op, WideType, Cmp->isSigned(), Cmp);
1114     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
1115   }
1116   return true;
1117 }
1118
1119 /// Determine whether an individual user of the narrow IV can be widened. If so,
1120 /// return the wide clone of the user.
1121 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
1122
1123   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
1124   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
1125     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
1126       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
1127       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
1128       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
1129       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
1130         truncateIVUse(DU, DT);
1131       else {
1132         PHINode *WidePhi =
1133           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
1134                           UsePhi);
1135         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
1136         IRBuilder<> Builder(WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
1137         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
1138         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
1139         DeadInsts.emplace_back(UsePhi);
1140         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
1141               << " to " << *WidePhi << "\n");
1142       }
1143       return nullptr;
1144     }
1145   }
1146   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1147   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1148     Value *NewDef = DU.WideDef;
1149     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1150       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1151       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1152       if (CastWidth < IVWidth) {
1153         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1154         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1155         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1156       }
1157       else {
1158         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1159         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1160         // dead. It should be very rare.
1161         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1162               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1163         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1164         NewDef = DU.NarrowUse;
1165       }
1166     }
1167     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1168       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1169             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1170       ++NumElimExt;
1171       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1172       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowUse);
1173     }
1174     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1175     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1176     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1177     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1178     // push the uses of WideDef here.
1179
1180     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1181     return nullptr;
1182   }
1183
1184   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1185   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1186   if (!WideAddRec)
1187     WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1188
1189   if (!WideAddRec) {
1190     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1191     // truncating the IV first.
1192     if (WidenLoopCompare(DU))
1193       return nullptr;
1194
1195     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1196     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1197     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1198     truncateIVUse(DU, DT);
1199     return nullptr;
1200   }
1201   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1202   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1203   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1204          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1205
1206   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1207   // NarrowUse.
1208   Instruction *WideUse = nullptr;
1209   if (WideAddRec == WideIncExpr
1210       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1211     WideUse = WideInc;
1212   else {
1213     WideUse = CloneIVUser(DU);
1214     if (!WideUse)
1215       return nullptr;
1216   }
1217   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1218   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1219   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1220   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1221   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1222   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1223     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1224           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1225     DeadInsts.emplace_back(WideUse);
1226     return nullptr;
1227   }
1228
1229   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1230   return WideUse;
1231 }
1232
1233 /// Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1234 ///
1235 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1236   const SCEV *NarrowSCEV = SE->getSCEV(NarrowDef);
1237   bool NeverNegative =
1238       SE->isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, NarrowSCEV,
1239                            SE->getConstant(NarrowSCEV->getType(), 0));
1240   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1241     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1242
1243     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1244     if (!Widened.insert(NarrowUser).second)
1245       continue;
1246
1247     NarrowIVUsers.push_back(
1248         NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUser, WideDef, NeverNegative));
1249   }
1250 }
1251
1252 /// Process a single induction variable. First use the SCEVExpander to create a
1253 /// wide induction variable that evaluates to the same recurrence as the
1254 /// original narrow IV. Then use a worklist to forward traverse the narrow IV's
1255 /// def-use chain. After WidenIVUse has processed all interesting IV users, the
1256 /// narrow IV will be isolated for removal by DeleteDeadPHIs.
1257 ///
1258 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1259 /// invalidating SCEV expressions.
1260 ///
1261 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1262   // Is this phi an induction variable?
1263   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1264   if (!AddRec)
1265     return nullptr;
1266
1267   // Widen the induction variable expression.
1268   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1269     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1270     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1271
1272   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1273          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1274
1275   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1276   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1277   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1278     return nullptr;
1279
1280   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1281   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1282   // operands, so they must dominate the loop header.
1283   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1284          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1285          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1286
1287   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1288   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1289   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1290   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1291   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1292   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1293
1294   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1295   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1296   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1297   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1298   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1299     WideInc =
1300       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1301     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1302   }
1303
1304   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1305   ++NumWidened;
1306
1307   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1308   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1309
1310   Widened.insert(OrigPhi);
1311   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1312
1313   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1314     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1315
1316     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1317     // use_iterator across it.
1318     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1319
1320     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1321     if (WideUse)
1322       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1323
1324     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1325     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1326       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowDef);
1327   }
1328   return WidePhi;
1329 }
1330
1331 //===----------------------------------------------------------------------===//
1332 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1333 //===----------------------------------------------------------------------===//
1334
1335
1336 //===----------------------------------------------------------------------===//
1337 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1338 //===----------------------------------------------------------------------===//
1339
1340 namespace {
1341 class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1342   ScalarEvolution *SE;
1343   const TargetTransformInfo *TTI;
1344   PHINode *IVPhi;
1345
1346 public:
1347   WideIVInfo WI;
1348
1349   IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1350                         const TargetTransformInfo *TTI,
1351                         const DominatorTree *DTree)
1352     : SE(SCEV), TTI(TTI), IVPhi(IV) {
1353     DT = DTree;
1354     WI.NarrowIV = IVPhi;
1355     if (ReduceLiveIVs)
1356       setSplitOverflowIntrinsics();
1357   }
1358
1359   // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1360   void visitCast(CastInst *Cast) override { visitIVCast(Cast, WI, SE, TTI); }
1361 };
1362 }
1363
1364 /// Iteratively perform simplification on a worklist of IV users. Each
1365 /// successive simplification may push more users which may themselves be
1366 /// candidates for simplification.
1367 ///
1368 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1369 ///
1370 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1371                                        SCEVExpander &Rewriter,
1372                                        LPPassManager &LPM) {
1373   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1374
1375   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1376   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1377     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1378   }
1379   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1380   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1381   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1382   // simplification on the wide IVs.
1383   while (!LoopPhis.empty()) {
1384     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1385     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1386     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1387     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1388     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1389     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1390     do {
1391       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1392
1393       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1394       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, TTI, DT);
1395
1396       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, DT, &LPM, DeadInsts, &Visitor);
1397
1398       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1399         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1400       }
1401     } while(!LoopPhis.empty());
1402
1403     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1404       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1405       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1406         Changed = true;
1407         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1408       }
1409     }
1410   }
1411 }
1412
1413 //===----------------------------------------------------------------------===//
1414 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1415 //===----------------------------------------------------------------------===//
1416
1417 /// Return true if this loop's backedge taken count expression can be safely and
1418 /// cheaply expanded into an instruction sequence that can be used by
1419 /// LinearFunctionTestReplace.
1420 ///
1421 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1422 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1423 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1424 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1425 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1426 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1427 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1428 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1429 /// into inequality tests.
1430 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE,
1431                                         SCEVExpander &Rewriter) {
1432   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1433   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1434       BackedgeTakenCount->isZero())
1435     return false;
1436
1437   if (!L->getExitingBlock())
1438     return false;
1439
1440   // Can't rewrite non-branch yet.
1441   if (!isa<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator()))
1442     return false;
1443
1444   if (Rewriter.isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, L))
1445     return false;
1446
1447   return true;
1448 }
1449
1450 /// Return the loop header phi IFF IncV adds a loop invariant value to the phi.
1451 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1452   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1453   if (!IncI)
1454     return nullptr;
1455
1456   switch (IncI->getOpcode()) {
1457   case Instruction::Add:
1458   case Instruction::Sub:
1459     break;
1460   case Instruction::GetElementPtr:
1461     // An IV counter must preserve its type.
1462     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1463       break;
1464   default:
1465     return nullptr;
1466   }
1467
1468   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1469   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1470     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1471       return Phi;
1472     return nullptr;
1473   }
1474   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1475     return nullptr;
1476
1477   // Allow add/sub to be commuted.
1478   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1479   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1480     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1481       return Phi;
1482   }
1483   return nullptr;
1484 }
1485
1486 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1487 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1488   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1489
1490   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1491   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1492   if (!LatchBlock)
1493     return nullptr;
1494
1495   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1496   assert(BI && "expected exit branch");
1497
1498   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1499 }
1500
1501 /// LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show that the
1502 /// current exit test is already sufficiently canonical.
1503 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1504   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1505   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1506   if (!Cond)
1507     return true;
1508
1509   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1510   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1511   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1512     return true;
1513
1514   // Look for a loop invariant RHS
1515   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1516   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1517   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1518     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1519       return true;
1520     std::swap(LHS, RHS);
1521   }
1522   // Look for a simple IV counter LHS
1523   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1524   if (!Phi)
1525     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1526
1527   if (!Phi)
1528     return true;
1529
1530   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1531   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1532   if (Idx < 0)
1533     return true;
1534
1535   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1536   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1537   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1538 }
1539
1540 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1541 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1542 /// that may hide undef.
1543 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1544                                unsigned Depth) {
1545   if (isa<Constant>(V))
1546     return !isa<UndefValue>(V);
1547
1548   if (Depth >= 6)
1549     return false;
1550
1551   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1552   // may be undef.
1553   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1554   if (!I)
1555     return false;
1556
1557   // Load and return values may be undef.
1558   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1559     return false;
1560
1561   // Optimistically handle other instructions.
1562   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1563     if (!Visited.insert(*OI).second)
1564       continue;
1565     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1566       return false;
1567   }
1568   return true;
1569 }
1570
1571 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1572 /// never reach it.
1573 ///
1574 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1575 /// may factor it into a common location.
1576 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1577   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1578   Visited.insert(V);
1579   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1580 }
1581
1582 /// Return true if this IV has any uses other than the (soon to be rewritten)
1583 /// loop exit test.
1584 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1585   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1586   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1587
1588   for (User *U : Phi->users())
1589     if (U != Cond && U != IncV) return false;
1590
1591   for (User *U : IncV->users())
1592     if (U != Cond && U != Phi) return false;
1593   return true;
1594 }
1595
1596 /// Find an affine IV in canonical form.
1597 ///
1598 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1599 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1600 /// expression as far as SCEV is concerned.
1601 ///
1602 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1603 ///
1604 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1605 ///
1606 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1607 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1608 /// could at least handle constant BECounts.
1609 static PHINode *FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1610                                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT) {
1611   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1612
1613   Value *Cond =
1614     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1615
1616   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1617   PHINode *BestPhi = nullptr;
1618   const SCEV *BestInit = nullptr;
1619   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1620   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1621
1622   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1623     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1624     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1625       continue;
1626
1627     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1628     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1629       continue;
1630
1631     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1632     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1633       continue;
1634
1635     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1636     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1637     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1638     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1639     if (PhiWidth < BCWidth ||
1640         !L->getHeader()->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(PhiWidth))
1641       continue;
1642
1643     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1644     if (!Step || !Step->isOne())
1645       continue;
1646
1647     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1648     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1649     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1650       continue;
1651
1652     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1653     // have originally had a concrete definition.
1654     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1655       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1656       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1657       // increase the number of undef users.
1658       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1659         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1660             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1661           continue;
1662         }
1663       }
1664     }
1665     const SCEV *Init = AR->getStart();
1666
1667     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1668       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1669       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1670         continue;
1671
1672       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1673       // also prefers integer to pointer IVs.
1674       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1675         if (BestInit->isZero())
1676           continue;
1677       }
1678       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1679       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1680       // to allow the other to be eliminated.
1681       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1682         continue;
1683     }
1684     BestPhi = Phi;
1685     BestInit = Init;
1686   }
1687   return BestPhi;
1688 }
1689
1690 /// Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that holds the RHS of
1691 /// the new loop test.
1692 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1693                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1694   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1695   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1696   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1697
1698   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1699   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1700   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1701   // the existing GEPs whenever possible.
1702   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1703       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1704
1705     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1706     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1707     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1708     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1709     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1710     // extend IVCount.
1711     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1712     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1713
1714     // Expand the code for the iteration count.
1715     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1716            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1717     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1718     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1719
1720     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1721     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1722     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1723     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1724     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1725              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1726            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1727
1728     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1729     return Builder.CreateGEP(nullptr, GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1730   }
1731   else {
1732     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1733     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1734     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1735     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1736     //
1737     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1738     // for simple memset-style loops.
1739     //
1740     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1741     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1742
1743     const SCEV *IVLimit = nullptr;
1744     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1745     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1746     if (AR->getStart()->isZero())
1747       IVLimit = IVCount;
1748     else {
1749       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1750       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1751
1752       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1753       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1754           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1755         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1756
1757       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1758     }
1759     // Expand the code for the iteration count.
1760     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1761     IRBuilder<> Builder(BI);
1762     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1763            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1764     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1765     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1766     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1767     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1768       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1769     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1770   }
1771 }
1772
1773 /// This method rewrites the exit condition of the loop to be a canonical !=
1774 /// comparison against the incremented loop induction variable.  This pass is
1775 /// able to rewrite the exit tests of any loop where the SCEV analysis can
1776 /// determine a loop-invariant trip count of the loop, which is actually a much
1777 /// broader range than just linear tests.
1778 Value *IndVarSimplify::
1779 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1780                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1781                           PHINode *IndVar,
1782                           SCEVExpander &Rewriter) {
1783   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && "precondition");
1784
1785   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1786   Value *CmpIndVar = IndVar;
1787   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1788
1789   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1790   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1791   // against the preincremented value.
1792   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1793     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1794     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1795     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1796     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1797                              SE->getOne(BackedgeTakenCount->getType()));
1798     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1799     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1800     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1801     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1802   }
1803
1804   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1805   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1806          && "genLoopLimit missed a cast");
1807
1808   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1809   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1810   ICmpInst::Predicate P;
1811   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1812     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1813   else
1814     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1815
1816   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1817                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1818                << "       op:\t"
1819                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1820                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1821                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1822
1823   IRBuilder<> Builder(BI);
1824
1825   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1826   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1827   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1828   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1829   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1830     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1831     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1832     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1833     // For constant IVCount, avoid truncation.
1834     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1835       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1836       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1837       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1838       // above such that IVCount is now zero.
1839       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1840         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1841         ++Count;
1842       }
1843       else
1844         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1845       APInt NewLimit;
1846       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1847         NewLimit = Start - Count;
1848       else
1849         NewLimit = Start + Count;
1850       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1851
1852       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1853     } else {
1854       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1855                                       "lftr.wideiv");
1856     }
1857   }
1858   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1859   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1860   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1861   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1862   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1863   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1864   // will make old comparison dead.
1865   BI->setCondition(Cond);
1866   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1867
1868   ++NumLFTR;
1869   Changed = true;
1870   return Cond;
1871 }
1872
1873 //===----------------------------------------------------------------------===//
1874 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1875 //===----------------------------------------------------------------------===//
1876
1877 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1878 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1879 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1880 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1881   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1882   if (!ExitBlock) return;
1883
1884   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1885   if (!Preheader) return;
1886
1887   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1888   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1889   while (I != Preheader->begin()) {
1890     --I;
1891     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1892     if (isa<PHINode>(I))
1893       break;
1894
1895     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1896     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1897     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1898     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1899     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1900     // block.
1901     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1902       continue;
1903
1904     // Skip debug info intrinsics.
1905     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1906       continue;
1907
1908     // Skip eh pad instructions.
1909     if (I->isEHPad())
1910       continue;
1911
1912     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1913     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1914     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1915     // FIXME: Refactor this check somehow?
1916     if (isa<AllocaInst>(I))
1917       continue;
1918
1919     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1920     // otherwise).
1921     bool UsedInLoop = false;
1922     for (Use &U : I->uses()) {
1923       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
1924       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
1925       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
1926         unsigned i =
1927           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
1928         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1929       }
1930       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1931         UsedInLoop = true;
1932         break;
1933       }
1934     }
1935
1936     // If there is, the def must remain in the preheader.
1937     if (UsedInLoop)
1938       continue;
1939
1940     // Otherwise, sink it to the exit block.
1941     Instruction *ToMove = I;
1942     bool Done = false;
1943
1944     if (I != Preheader->begin()) {
1945       // Skip debug info intrinsics.
1946       do {
1947         --I;
1948       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1949
1950       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1951         Done = true;
1952     } else {
1953       Done = true;
1954     }
1955
1956     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1957     if (Done) break;
1958     InsertPt = ToMove;
1959   }
1960 }
1961
1962 //===----------------------------------------------------------------------===//
1963 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1964 //===----------------------------------------------------------------------===//
1965
1966 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1967   if (skipOptnoneFunction(L))
1968     return false;
1969
1970   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1971   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1972   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1973   //    afterwards.
1974   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1975   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1976   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1977   //    we've manually inserted one.
1978   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1979     return false;
1980
1981   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1982   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1983   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1984   auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1985   TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
1986   auto *TTIP = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfoWrapperPass>();
1987   TTI = TTIP ? &TTIP->getTTI(*L->getHeader()->getParent()) : nullptr;
1988   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1989
1990   DeadInsts.clear();
1991   Changed = false;
1992
1993   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1994   // transform them to use integer recurrences.
1995   RewriteNonIntegerIVs(L);
1996
1997   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1998
1999   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
2000   SCEVExpander Rewriter(*SE, DL, "indvars");
2001 #ifndef NDEBUG
2002   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
2003 #endif
2004
2005   // Eliminate redundant IV users.
2006   //
2007   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
2008   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
2009   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
2010   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
2011   Rewriter.disableCanonicalMode();
2012   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
2013
2014   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
2015   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
2016   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
2017   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
2018   // the current expressions.
2019   //
2020   if (ReplaceExitValue != NeverRepl &&
2021       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2022     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
2023
2024   // Eliminate redundant IV cycles.
2025   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
2026
2027   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
2028   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
2029   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && needsLFTR(L, DT)) {
2030     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT);
2031     if (IndVar) {
2032       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
2033       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
2034       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
2035       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
2036       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
2037       //
2038       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
2039       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
2040       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
2041       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
2042         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
2043                                         Rewriter);
2044     }
2045   }
2046   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
2047   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
2048   // trigger.
2049   Rewriter.clear();
2050
2051   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
2052   // which are now dead.
2053   while (!DeadInsts.empty())
2054     if (Instruction *Inst =
2055             dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
2056       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
2057
2058   // The Rewriter may not be used from this point on.
2059
2060   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
2061   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
2062   SinkUnusedInvariants(L);
2063
2064   // Clean up dead instructions.
2065   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
2066   // Check a post-condition.
2067   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
2068          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
2069
2070   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
2071   // ability to compute trip count.
2072 #ifndef NDEBUG
2073   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
2074     SE->forgetLoop(L);
2075     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2076     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2077         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2078       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2079                                          BackedgeTakenCount->getType());
2080     else
2081       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2082                                                  NewBECount->getType());
2083     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2084   }
2085 #endif
2086
2087   return Changed;
2088 }