917ec5886ca19739676c71d7c66f10045a8300b3
[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 #define DEBUG_TYPE "indvars"
28 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
29 #include "llvm/BasicBlock.h"
30 #include "llvm/Constants.h"
31 #include "llvm/Instructions.h"
32 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
33 #include "llvm/LLVMContext.h"
34 #include "llvm/Type.h"
35 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
36 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
37 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
40 #include "llvm/Support/CFG.h"
41 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
42 #include "llvm/Support/Debug.h"
43 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
44 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
45 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
47 #include "llvm/Target/TargetData.h"
48 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
49 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
50 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumRemoved     , "Number of aux indvars removed");
54 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
55 STATISTIC(NumInserted    , "Number of canonical indvars added");
56 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
57 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
58 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
59 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
60
61 static cl::opt<bool> EnableIVRewrite(
62   "enable-iv-rewrite", cl::Hidden,
63   cl::desc("Enable canonical induction variable rewriting"));
64
65 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
66 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
67 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
68 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
69   "verify-indvars", cl::Hidden,
70   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
71
72 namespace {
73   class IndVarSimplify : public LoopPass {
74     IVUsers         *IU;
75     LoopInfo        *LI;
76     ScalarEvolution *SE;
77     DominatorTree   *DT;
78     TargetData      *TD;
79
80     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
81     bool Changed;
82   public:
83
84     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
85     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), IU(0), LI(0), SE(0), DT(0), TD(0),
86                        Changed(false) {
87       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
88     }
89
90     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
91
92     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
93       AU.addRequired<DominatorTree>();
94       AU.addRequired<LoopInfo>();
95       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
96       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
97       AU.addRequiredID(LCSSAID);
98       if (EnableIVRewrite)
99         AU.addRequired<IVUsers>();
100       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
101       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
102       AU.addPreservedID(LCSSAID);
103       if (EnableIVRewrite)
104         AU.addPreserved<IVUsers>();
105       AU.setPreservesCFG();
106     }
107
108   private:
109     virtual void releaseMemory() {
110       DeadInsts.clear();
111     }
112
113     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
114
115     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
116     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
117
118     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
119
120     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
121
122     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
123
124     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
125                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
126
127     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
128   };
129 }
130
131 char IndVarSimplify::ID = 0;
132 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
133                 "Induction Variable Simplification", false, false)
134 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
135 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
136 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
137 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
138 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
139 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
140 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
141                 "Induction Variable Simplification", false, false)
142
143 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
144   return new IndVarSimplify();
145 }
146
147 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
148 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
149 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
150 /// Ideally, this function will only be called for verification.
151 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
152   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
153   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
154   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
155   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
156   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
157   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
158   // bail out here.
159   //
160   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
161   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
162   Value *FromPtr = FromVal;
163   Value *ToPtr = ToVal;
164   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
165     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
166   }
167   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
168     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
169   }
170   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
171     // Quickly check the common case
172     if (FromPtr == ToPtr)
173       return true;
174
175     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
176     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
177     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
178     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
179     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
180     // indexed by an integer recurrence.
181
182     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
183     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
184       return false;
185
186     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
187     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
188     if (FromBase == ToBase)
189       return true;
190
191     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
192           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
193
194     return false;
195   }
196   return true;
197 }
198
199 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
200 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
201 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
202 /// common dominator for the incoming blocks.
203 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
204                                           DominatorTree *DT) {
205   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
206   if (!PHI)
207     return User;
208
209   Instruction *InsertPt = 0;
210   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
211     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
212       continue;
213
214     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
215     if (!InsertPt) {
216       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
217       continue;
218     }
219     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
220     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
221   }
222   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
223   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
224           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
225          "def does not dominate all uses");
226   return InsertPt;
227 }
228
229 //===----------------------------------------------------------------------===//
230 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
231 //===----------------------------------------------------------------------===//
232
233 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
234 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
235   bool isExact = false;
236   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
237     return false;
238   // See if we can convert this to an int64_t
239   uint64_t UIntVal;
240   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
241                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
242     return false;
243   IntVal = UIntVal;
244   return true;
245 }
246
247 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
248 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
249 /// For example,
250 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
251 ///   bar(i)
252 /// is converted into
253 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
254 ///   bar((double)i);
255 ///
256 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
257   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
258   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
259
260   // Check incoming value.
261   ConstantFP *InitValueVal =
262     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
263
264   int64_t InitValue;
265   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
266     return;
267
268   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
269   // an add or increment value can not be represented by an integer.
270   BinaryOperator *Incr =
271     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
272   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
273
274   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
275   // is not an integer, bail out.
276   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
277   int64_t IncValue;
278   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
279       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
280     return;
281
282   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
283   // used by the conditional terminator.
284   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
285   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
286   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
287   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
288   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
289
290   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
291   // only used by a branch, we can't transform it.
292   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
293   if (!Compare)
294     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
295   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
296       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
297     return;
298
299   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
300
301   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
302   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
303   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
304   // of the loop.
305   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
306   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
307       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
308        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
309     return;
310
311
312   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
313   // transform it.
314   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
315   int64_t ExitValue;
316   if (ExitValueVal == 0 ||
317       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
318     return;
319
320   // Find new predicate for integer comparison.
321   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
322   switch (Compare->getPredicate()) {
323   default: return;  // Unknown comparison.
324   case CmpInst::FCMP_OEQ:
325   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
326   case CmpInst::FCMP_ONE:
327   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
328   case CmpInst::FCMP_OGT:
329   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
330   case CmpInst::FCMP_OGE:
331   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
332   case CmpInst::FCMP_OLT:
333   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
334   case CmpInst::FCMP_OLE:
335   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
336   }
337
338   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
339   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
340   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
341   // now.
342   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
343
344   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
345   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
346     return;
347
348   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
349   if (IncValue == 0)
350     return;
351
352   // Positive and negative strides have different safety conditions.
353   if (IncValue > 0) {
354     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
355     // exit value.
356     if (InitValue >= ExitValue)
357       return;
358
359     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
360     // Check for infinite loop, either:
361     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
362     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
363       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
364     }
365
366     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
367
368     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
369     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
370     // around and do things the fp IV wouldn't.
371     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
372         Leftover != 0)
373       return;
374
375     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
376     // transform the IV.
377     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
378       return;
379
380   } else {
381     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
382     // exit value.
383     if (InitValue <= ExitValue)
384       return;
385
386     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
387     // Check for infinite loop, either:
388     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
389     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
390       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
391     }
392
393     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
394
395     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
396     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
397     // around and do things the fp IV wouldn't.
398     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
399         Leftover != 0)
400       return;
401
402     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
403     // transform the IV.
404     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
405       return;
406   }
407
408   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
409
410   // Insert new integer induction variable.
411   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
412   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
413                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
414
415   Value *NewAdd =
416     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
417                               Incr->getName()+".int", Incr);
418   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
419
420   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
421                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
422                                       Compare->getName());
423
424   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
425   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
426   WeakVH WeakPH = PN;
427
428   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
429   // new comparison.
430   NewCompare->takeName(Compare);
431   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
432   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
433
434   // Delete the old floating point increment.
435   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
436   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
437
438   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
439   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
440   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
441   // int->fp cast.
442   //
443   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
444   // platforms.
445   if (WeakPH) {
446     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
447                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
448     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
449     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
450   }
451
452   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
453   if (IU)
454     IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI);
455
456   Changed = true;
457 }
458
459 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
460   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
461   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
462   // the SCEV routines.
463   //
464   BasicBlock *Header = L->getHeader();
465
466   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
467   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
468        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
469     PHIs.push_back(PN);
470
471   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
472     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
473       HandleFloatingPointIV(L, PN);
474
475   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
476   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
477   // re-writing, the trip count may be computable.
478   if (Changed)
479     SE->forgetLoop(L);
480 }
481
482 //===----------------------------------------------------------------------===//
483 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
484 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
485 //===----------------------------------------------------------------------===//
486
487 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
488 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
489 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
490 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
491 /// the loop that use the final values of the current expressions.
492 ///
493 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
494 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
495 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
496 /// constant operands at the beginning of the loop.
497 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
498   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
499   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
500
501   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
502   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
503
504   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
505   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
506   // the exit blocks of the loop to find them.
507   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
508     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
509
510     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
511     // inside the loop are used on this path, skip it.
512     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
513     if (!PN) continue;
514
515     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
516
517     // Iterate over all of the PHI nodes.
518     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
519     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
520       if (PN->use_empty())
521         continue; // dead use, don't replace it
522
523       // SCEV only supports integer expressions for now.
524       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
525         continue;
526
527       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
528       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
529       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
530       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
531       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
532       SE->forgetValue(PN);
533
534       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
535       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
536         // If the value being merged in is not integer or is not defined
537         // in the loop, skip it.
538         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
539         if (!isa<Instruction>(InVal))
540           continue;
541
542         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
543         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
544           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
545
546         // Check that InVal is defined in the loop.
547         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
548         if (!L->contains(Inst))
549           continue;
550
551         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
552         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
553         // contains when the loop exits, if possible.
554         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
555         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L))
556           continue;
557
558         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
559
560         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
561                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
562
563         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
564           DeadInsts.push_back(ExitVal);
565           continue;
566         }
567         Changed = true;
568         ++NumReplaced;
569
570         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
571
572         // If this instruction is dead now, delete it.
573         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
574
575         if (NumPreds == 1) {
576           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
577           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
578           // node anymore.
579           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
580           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
581         }
582       }
583       if (NumPreds != 1) {
584         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
585         // any other maps purge the original user from their records.
586         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
587         NewPN->takeName(PN);
588         NewPN->insertBefore(PN);
589         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
590         PN->eraseFromParent();
591       }
592     }
593   }
594
595   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
596   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
597   Rewriter.clearInsertPoint();
598 }
599
600 //===----------------------------------------------------------------------===//
601 //  Rewrite IV users based on a canonical IV.
602 //  Only for use with -enable-iv-rewrite.
603 //===----------------------------------------------------------------------===//
604
605 /// FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
606 /// complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
607 /// polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
608 /// currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
609 /// indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
610 /// it can be expanded to a trivial value.
611 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
612   // Loop-invariant values are safe.
613   if (SE->isLoopInvariant(S, L)) return true;
614
615   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
616   // to transform them into efficient code.
617   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
618     return AR->isAffine();
619
620   // An add is safe it all its operands are safe.
621   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative
622       = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
623     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
624          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
625       if (!isSafe(*I, L, SE)) return false;
626     return true;
627   }
628
629   // A cast is safe if its operand is.
630   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
631     return isSafe(C->getOperand(), L, SE);
632
633   // A udiv is safe if its operands are.
634   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
635     return isSafe(UD->getLHS(), L, SE) &&
636            isSafe(UD->getRHS(), L, SE);
637
638   // SCEVUnknown is always safe.
639   if (isa<SCEVUnknown>(S))
640     return true;
641
642   // Nothing else is safe.
643   return false;
644 }
645
646 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
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     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 (SE->isLoopInvariant(ExitVal, 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, SE))
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 = getInsertPointForUses(User, Op, DT);
684
685     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
686     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
687
688     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
689                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
690
691     if (!isValidRewrite(Op, NewVal)) {
692       DeadInsts.push_back(NewVal);
693       continue;
694     }
695     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
696     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
697     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
698     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
699     // deleted.
700     SE->forgetValue(User);
701
702     // Patch the new value into place.
703     if (Op->hasName())
704       NewVal->takeName(Op);
705     if (Instruction *NewValI = dyn_cast<Instruction>(NewVal))
706       NewValI->setDebugLoc(User->getDebugLoc());
707     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
708     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
709
710     ++NumRemoved;
711     Changed = true;
712
713     // The old value may be dead now.
714     DeadInsts.push_back(Op);
715   }
716 }
717
718 //===----------------------------------------------------------------------===//
719 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
720 //===----------------------------------------------------------------------===//
721
722 namespace {
723   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
724   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
725   // provides the input to WidenIV.
726   struct WideIVInfo {
727     PHINode *NarrowIV;
728     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
729     bool IsSigned;          // Was an sext user seen before a zext?
730
731     WideIVInfo() : NarrowIV(0), WidestNativeType(0), IsSigned(false) {}
732   };
733
734   class WideIVVisitor : public IVVisitor {
735     ScalarEvolution *SE;
736     const TargetData *TD;
737
738   public:
739     WideIVInfo WI;
740
741     WideIVVisitor(PHINode *NarrowIV, ScalarEvolution *SCEV,
742                   const TargetData *TData) :
743       SE(SCEV), TD(TData) { WI.NarrowIV = NarrowIV; }
744
745     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
746     virtual void visitCast(CastInst *Cast);
747   };
748 }
749
750 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
751 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
752 /// the final width of the IV before actually widening it.
753 void WideIVVisitor::visitCast(CastInst *Cast) {
754   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
755   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
756     return;
757
758   Type *Ty = Cast->getType();
759   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
760   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
761     return;
762
763   if (!WI.WidestNativeType) {
764     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
765     WI.IsSigned = IsSigned;
766     return;
767   }
768
769   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
770   if (WI.IsSigned != IsSigned)
771     return;
772
773   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
774     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
775 }
776
777 namespace {
778
779 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
780 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
781 /// caching Use* pointers.
782 struct NarrowIVDefUse {
783   Instruction *NarrowDef;
784   Instruction *NarrowUse;
785   Instruction *WideDef;
786
787   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(0), NarrowUse(0), WideDef(0) {}
788
789   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
790     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
791 };
792
793 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
794 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
795 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
796 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
797 ///
798 class WidenIV {
799   // Parameters
800   PHINode *OrigPhi;
801   Type *WideType;
802   bool IsSigned;
803
804   // Context
805   LoopInfo        *LI;
806   Loop            *L;
807   ScalarEvolution *SE;
808   DominatorTree   *DT;
809
810   // Result
811   PHINode *WidePhi;
812   Instruction *WideInc;
813   const SCEV *WideIncExpr;
814   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
815
816   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
817   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
818
819 public:
820   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
821           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
822           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
823     OrigPhi(WI.NarrowIV),
824     WideType(WI.WidestNativeType),
825     IsSigned(WI.IsSigned),
826     LI(LInfo),
827     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
828     SE(SEv),
829     DT(DTree),
830     WidePhi(0),
831     WideInc(0),
832     WideIncExpr(0),
833     DeadInsts(DI) {
834     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
835   }
836
837   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
838
839 protected:
840   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
841                    Instruction *Use);
842
843   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
844
845   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
846
847   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
848
849   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
850
851   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
852 };
853 } // anonymous namespace
854
855 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
856 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
857 /// gratuitous for this purpose.
858 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
859   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
860   if (!Inst)
861     return true;
862
863   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
864 }
865
866 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
867                           Instruction *Use) {
868   // Set the debug location and conservative insertion point.
869   IRBuilder<> Builder(Use);
870   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
871   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
872        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
873        L = L->getParentLoop())
874     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
875
876   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
877                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
878 }
879
880 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
881 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
882 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
883 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
884   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
885   switch (Opcode) {
886   default:
887     return 0;
888   case Instruction::Add:
889   case Instruction::Mul:
890   case Instruction::UDiv:
891   case Instruction::Sub:
892   case Instruction::And:
893   case Instruction::Or:
894   case Instruction::Xor:
895   case Instruction::Shl:
896   case Instruction::LShr:
897   case Instruction::AShr:
898     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
899
900     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
901     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
902     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
903     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
904     // WidenIVUse.
905     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
906       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
907     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
908       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
909
910     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
911     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
912                                                     LHS, RHS,
913                                                     NarrowBO->getName());
914     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
915     Builder.Insert(WideBO);
916     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
917         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
918       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
919       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
920     }
921     return WideBO;
922   }
923   llvm_unreachable(0);
924 }
925
926 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
927 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
928 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
929 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
930 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
931   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
932   if (DU.NarrowUse->getOpcode() != Instruction::Add)
933     return 0;
934
935   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
936   // if extending the other will lead to a recurrence.
937   unsigned ExtendOperIdx = DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
938   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
939
940   const SCEV *ExtendOperExpr = 0;
941   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
942     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
943   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
944     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
945       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
946   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
947     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
948       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
949   else
950     return 0;
951
952   // When creating this AddExpr, don't apply the current operations NSW or NUW
953   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
954   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
955   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
956   // semantics to those operations.
957   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(
958     SE->getAddExpr(SE->getSCEV(DU.WideDef), ExtendOperExpr));
959
960   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
961     return 0;
962   return AddRec;
963 }
964
965 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
966 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
967 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
968 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
969 /// recurrence. Otherwise return NULL.
970 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
971   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
972     return 0;
973
974   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
975   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
976       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
977     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
978     // index. So don't follow this use.
979     return 0;
980   }
981
982   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
983     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
984     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
985   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
986   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
987     return 0;
988   return AddRec;
989 }
990
991 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
992 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
993 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
994
995   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
996   if (isa<PHINode>(DU.NarrowUse) &&
997       LI->getLoopFor(DU.NarrowUse->getParent()) != L)
998     return 0;
999
1000   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1001   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1002     Value *NewDef = DU.WideDef;
1003     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1004       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1005       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1006       if (CastWidth < IVWidth) {
1007         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1008         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1009         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1010       }
1011       else {
1012         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1013         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1014         // dead. It should be very rare.
1015         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1016               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1017         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1018         NewDef = DU.NarrowUse;
1019       }
1020     }
1021     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1022       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1023             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1024       ++NumElimExt;
1025       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1026       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
1027     }
1028     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1029     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1030     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1031     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1032     // push the uses of WideDef here.
1033
1034     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1035     return 0;
1036   }
1037
1038   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1039   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1040   if (!WideAddRec) {
1041       WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1042   }
1043   if (!WideAddRec) {
1044     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1045     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1046     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1047     IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1048     Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1049     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1050     return 0;
1051   }
1052   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1053   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1054   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1055          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1056
1057   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1058   // NarrowUse.
1059   Instruction *WideUse = 0;
1060   if (WideAddRec == WideIncExpr
1061       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1062     WideUse = WideInc;
1063   else {
1064     WideUse = CloneIVUser(DU);
1065     if (!WideUse)
1066       return 0;
1067   }
1068   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1069   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1070   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1071   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1072   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1073   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1074     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1075           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1076     DeadInsts.push_back(WideUse);
1077     return 0;
1078   }
1079
1080   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1081   return WideUse;
1082 }
1083
1084 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1085 ///
1086 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1087   for (Value::use_iterator UI = NarrowDef->use_begin(),
1088          UE = NarrowDef->use_end(); UI != UE; ++UI) {
1089     Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(*UI);
1090
1091     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1092     if (!Widened.insert(NarrowUse))
1093       continue;
1094
1095     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUse, WideDef));
1096   }
1097 }
1098
1099 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1100 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1101 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1102 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1103 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1104 /// DeleteDeadPHIs.
1105 ///
1106 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1107 /// invalidating SCEV expressions.
1108 ///
1109 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1110   // Is this phi an induction variable?
1111   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1112   if (!AddRec)
1113     return NULL;
1114
1115   // Widen the induction variable expression.
1116   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1117     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1118     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1119
1120   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1121          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1122
1123   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1124   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1125   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1126     return NULL;
1127
1128   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1129   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1130   // operands, so they must dominate the loop header.
1131   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1132          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1133          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1134
1135   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1136   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1137   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1138   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1139   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1140   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1141
1142   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1143   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1144   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1145   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1146   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1147     WideInc =
1148       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1149     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1150   }
1151
1152   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1153   ++NumWidened;
1154
1155   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1156   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1157
1158   Widened.insert(OrigPhi);
1159   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1160
1161   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1162     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1163
1164     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1165     // use_iterator across it.
1166     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1167
1168     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1169     if (WideUse)
1170       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1171
1172     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1173     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1174       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1175   }
1176   return WidePhi;
1177 }
1178
1179 //===----------------------------------------------------------------------===//
1180 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1181 //===----------------------------------------------------------------------===//
1182
1183
1184 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1185 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1186 /// themselves be candidates for simplification.
1187 ///
1188 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1189 ///
1190 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1191                                        SCEVExpander &Rewriter,
1192                                        LPPassManager &LPM) {
1193   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1194
1195   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1196   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1197     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1198   }
1199   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1200   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1201   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1202   // simplification on the wide IVs.
1203   while (!LoopPhis.empty()) {
1204     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1205     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1206     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1207     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1208     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1209     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1210     do {
1211       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1212
1213       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1214       WideIVVisitor WIV(CurrIV, SE, TD);
1215
1216       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &WIV);
1217
1218       if (WIV.WI.WidestNativeType) {
1219         WideIVs.push_back(WIV.WI);
1220       }
1221     } while(!LoopPhis.empty());
1222
1223     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1224       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1225       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1226         Changed = true;
1227         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1228       }
1229     }
1230   }
1231 }
1232
1233 //===----------------------------------------------------------------------===//
1234 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1235 //===----------------------------------------------------------------------===//
1236
1237 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1238 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1239 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1240 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1241                                 SmallPtrSet<const SCEV*, 8> &Processed,
1242                                 ScalarEvolution *SE) {
1243   if (!Processed.insert(S))
1244     return false;
1245
1246   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1247   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1248   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1249   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1250   // forego rewriting the loop.
1251   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1252     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1253     if (!OrigCond) return true;
1254     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1255     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1256     if (R != S) {
1257       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1258       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1259       if (L != S)
1260         return true;
1261     }
1262   }
1263
1264   if (EnableIVRewrite)
1265     return false;
1266
1267   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1268   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1269   // they are not too expensive rematerialize.
1270   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1271     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1272          I != E; ++I) {
1273       if (isHighCostExpansion(*I, BI, Processed, SE))
1274         return true;
1275     }
1276     return false;
1277   }
1278
1279   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1280   // the exit condition.
1281   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1282     return true;
1283
1284   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1285   // expression produced by program code.
1286   return false;
1287 }
1288
1289 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1290 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1291 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1292 ///
1293 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1294 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1295 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1296 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1297 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1298 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1299 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1300 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1301 /// into inequality tests.
1302 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1303   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1304   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1305       BackedgeTakenCount->isZero())
1306     return false;
1307
1308   if (!L->getExitingBlock())
1309     return false;
1310
1311   // Can't rewrite non-branch yet.
1312   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1313   if (!BI)
1314     return false;
1315
1316   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
1317   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, Processed, SE))
1318     return false;
1319
1320   return true;
1321 }
1322
1323 /// getBackedgeIVType - Get the widest type used by the loop test after peeking
1324 /// through Truncs.
1325 ///
1326 /// TODO: Unnecessary when ForceLFTR is removed.
1327 static Type *getBackedgeIVType(Loop *L) {
1328   if (!L->getExitingBlock())
1329     return 0;
1330
1331   // Can't rewrite non-branch yet.
1332   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1333   if (!BI)
1334     return 0;
1335
1336   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1337   if (!Cond)
1338     return 0;
1339
1340   Type *Ty = 0;
1341   for(User::op_iterator OI = Cond->op_begin(), OE = Cond->op_end();
1342       OI != OE; ++OI) {
1343     assert((!Ty || Ty == (*OI)->getType()) && "bad icmp operand types");
1344     TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(*OI);
1345     if (!Trunc)
1346       continue;
1347
1348     return Trunc->getSrcTy();
1349   }
1350   return Ty;
1351 }
1352
1353 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1354 /// invariant value to the phi.
1355 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1356   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1357   if (!IncI)
1358     return 0;
1359
1360   switch (IncI->getOpcode()) {
1361   case Instruction::Add:
1362   case Instruction::Sub:
1363     break;
1364   case Instruction::GetElementPtr:
1365     // An IV counter must preserve its type.
1366     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1367       break;
1368   default:
1369     return 0;
1370   }
1371
1372   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1373   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1374     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1375       return Phi;
1376     return 0;
1377   }
1378   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1379     return 0;
1380
1381   // Allow add/sub to be commuted.
1382   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1383   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1384     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1385       return Phi;
1386   }
1387   return 0;
1388 }
1389
1390 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1391 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1392 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1393   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1394
1395   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1396   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1397   if (!LatchBlock)
1398     return false;
1399
1400   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1401   assert(BI && "expected exit branch");
1402
1403   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1404   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1405   if (!Cond)
1406     return true;
1407
1408   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1409   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1410   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1411     return true;
1412
1413   // Look for a loop invariant RHS
1414   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1415   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1416   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1417     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1418       return true;
1419     std::swap(LHS, RHS);
1420   }
1421   // Look for a simple IV counter LHS
1422   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1423   if (!Phi)
1424     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1425
1426   if (!Phi)
1427     return true;
1428
1429   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1430   Value *IncV = Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch());
1431   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1432 }
1433
1434 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1435 /// be rewritten) loop exit test.
1436 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1437   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1438   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1439
1440   for (Value::use_iterator UI = Phi->use_begin(), UE = Phi->use_end();
1441        UI != UE; ++UI) {
1442     if (*UI != Cond && *UI != IncV) return false;
1443   }
1444
1445   for (Value::use_iterator UI = IncV->use_begin(), UE = IncV->use_end();
1446        UI != UE; ++UI) {
1447     if (*UI != Cond && *UI != Phi) return false;
1448   }
1449   return true;
1450 }
1451
1452 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1453 ///
1454 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1455 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1456 /// expression as far as SCEV is concerned.
1457 ///
1458 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1459 ///
1460 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1461 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1462 /// could at least handle constant BECounts.
1463 static PHINode *
1464 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1465                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const TargetData *TD) {
1466   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1467
1468   Value *Cond =
1469     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1470
1471   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1472   PHINode *BestPhi = 0;
1473   const SCEV *BestInit = 0;
1474   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1475   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1476
1477   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1478     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1479     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1480       continue;
1481
1482     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1483     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1484       continue;
1485
1486     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1487     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1488       continue;
1489
1490     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1491     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1492     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1493     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1494     if (PhiWidth < BCWidth || (TD && !TD->isLegalInteger(PhiWidth)))
1495       continue;
1496
1497     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1498     if (!Step || !Step->isOne())
1499       continue;
1500
1501     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1502     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1503     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1504       continue;
1505
1506     const SCEV *Init = AR->getStart();
1507
1508     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1509       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1510       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1511         continue;
1512
1513       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1514       // also prefers integer to pointer IVs.
1515       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1516         if (BestInit->isZero())
1517           continue;
1518       }
1519       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1520       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1521       // to allow the other to be eliminated.
1522       if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1523         continue;
1524     }
1525     BestPhi = Phi;
1526     BestInit = Init;
1527   }
1528   return BestPhi;
1529 }
1530
1531 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1532 /// holds the RHS of the new loop test.
1533 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1534                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1535   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1536   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1537   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1538
1539   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1540   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1541   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1542   // the existing GEPs whenever possible.
1543   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1544       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1545
1546     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1547     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrSignExtend(IVCount, OfsTy);
1548
1549     // Expand the code for the iteration count.
1550     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1551            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1552     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1553     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1554
1555     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1556     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1557     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1558     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1559     assert(SE->getSizeOfExpr(
1560              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1561            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1562
1563     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1564     return Builder.CreateGEP(GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1565   }
1566   else {
1567     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1568     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1569     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1570     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1571     //
1572     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1573     // for simple memset-style loops; (3) IVInit is an integer and IVCount is a
1574     // pointer may occur when enable-iv-rewrite generates a canonical IV on top
1575     // of case #2.
1576
1577     const SCEV *IVLimit = 0;
1578     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1579     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1580     if (AR->getStart()->isZero())
1581       IVLimit = IVCount;
1582     else {
1583       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1584       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1585
1586       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1587       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1588           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1589         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1590
1591       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1592     }
1593     // Expand the code for the iteration count.
1594     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1595     IRBuilder<> Builder(BI);
1596     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1597            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1598     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1599     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1600     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1601     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1602       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1603     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1604   }
1605 }
1606
1607 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1608 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1609 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1610 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1611 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1612 Value *IndVarSimplify::
1613 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1614                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1615                           PHINode *IndVar,
1616                           SCEVExpander &Rewriter) {
1617   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1618
1619   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1620   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1621   Type *CntTy = !EnableIVRewrite ?
1622     BackedgeTakenCount->getType() : IndVar->getType();
1623
1624   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1625
1626   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1627   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1628   // against the preincremented value.
1629   Value *CmpIndVar;
1630   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1631     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1632     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
1633     // cast the induction variable before doing the add.
1634     const SCEV *N =
1635       SE->getAddExpr(IVCount, SE->getConstant(IVCount->getType(), 1));
1636     if (CntTy == IVCount->getType())
1637       IVCount = N;
1638     else {
1639       const SCEV *Zero = SE->getConstant(IVCount->getType(), 0);
1640       if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
1641           SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
1642         // No overflow. Cast the sum.
1643         IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, CntTy);
1644       } else {
1645         // Potential overflow. Cast before doing the add.
1646         IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, CntTy);
1647         IVCount = SE->getAddExpr(IVCount, SE->getConstant(CntTy, 1));
1648       }
1649     }
1650     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1651     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1652     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1653     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1654   } else {
1655     // We must use the preincremented value...
1656     IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, CntTy);
1657     CmpIndVar = IndVar;
1658   }
1659
1660   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1661   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1662          && "genLoopLimit missed a cast");
1663
1664   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1665   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1666   ICmpInst::Predicate P;
1667   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1668     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1669   else
1670     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1671
1672   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1673                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1674                << "       op:\t"
1675                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1676                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1677                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1678
1679   IRBuilder<> Builder(BI);
1680   if (SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType())
1681       > SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType())) {
1682     CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1683                                     "lftr.wideiv");
1684   }
1685
1686   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1687   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1688   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1689   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1690   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1691   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1692   // will make old comparison dead.
1693   BI->setCondition(Cond);
1694   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1695
1696   ++NumLFTR;
1697   Changed = true;
1698   return Cond;
1699 }
1700
1701 //===----------------------------------------------------------------------===//
1702 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1703 //===----------------------------------------------------------------------===//
1704
1705 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1706 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1707 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1708 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1709   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1710   if (!ExitBlock) return;
1711
1712   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1713   if (!Preheader) return;
1714
1715   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1716   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1717   while (I != Preheader->begin()) {
1718     --I;
1719     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1720     if (isa<PHINode>(I))
1721       break;
1722
1723     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1724     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1725     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1726     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1727     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1728     // block.
1729     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1730       continue;
1731
1732     // Skip debug info intrinsics.
1733     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1734       continue;
1735
1736     // Skip landingpad instructions.
1737     if (isa<LandingPadInst>(I))
1738       continue;
1739
1740     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1741     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1742     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1743     // FIXME: Refactor this check somehow?
1744     if (isa<AllocaInst>(I))
1745       continue;
1746
1747     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1748     // otherwise).
1749     bool UsedInLoop = false;
1750     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1751          UI != UE; ++UI) {
1752       User *U = *UI;
1753       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1754       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1755         unsigned i =
1756           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1757         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1758       }
1759       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1760         UsedInLoop = true;
1761         break;
1762       }
1763     }
1764
1765     // If there is, the def must remain in the preheader.
1766     if (UsedInLoop)
1767       continue;
1768
1769     // Otherwise, sink it to the exit block.
1770     Instruction *ToMove = I;
1771     bool Done = false;
1772
1773     if (I != Preheader->begin()) {
1774       // Skip debug info intrinsics.
1775       do {
1776         --I;
1777       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1778
1779       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1780         Done = true;
1781     } else {
1782       Done = true;
1783     }
1784
1785     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1786     if (Done) break;
1787     InsertPt = ToMove;
1788   }
1789 }
1790
1791 //===----------------------------------------------------------------------===//
1792 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1793 //===----------------------------------------------------------------------===//
1794
1795 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1796   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1797   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1798   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1799   //    afterwards.
1800   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1801   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1802   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1803   //    we've manually inserted one.
1804   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1805     return false;
1806
1807   if (EnableIVRewrite)
1808     IU = &getAnalysis<IVUsers>();
1809   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1810   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1811   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1812   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1813
1814   DeadInsts.clear();
1815   Changed = false;
1816
1817   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1818   // transform them to use integer recurrences.
1819   RewriteNonIntegerIVs(L);
1820
1821   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1822
1823   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1824   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1825 #ifndef NDEBUG
1826   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1827 #endif
1828
1829   // Eliminate redundant IV users.
1830   //
1831   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1832   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1833   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1834   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1835   if (!EnableIVRewrite) {
1836     Rewriter.disableCanonicalMode();
1837     SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1838   }
1839
1840   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1841   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1842   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1843   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1844   // the current expressions.
1845   //
1846   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1847     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1848
1849   // Eliminate redundant IV users.
1850   if (EnableIVRewrite)
1851     Changed |= simplifyIVUsers(IU, SE, &LPM, DeadInsts);
1852
1853   // Eliminate redundant IV cycles.
1854   if (!EnableIVRewrite)
1855     NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
1856
1857   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
1858   // a canonical induction variable should be inserted.
1859   Type *LargestType = 0;
1860   bool NeedCannIV = false;
1861   bool ExpandBECount = canExpandBackedgeTakenCount(L, SE);
1862   if (EnableIVRewrite && ExpandBECount) {
1863     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
1864     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
1865     // canonical induction variable.
1866     NeedCannIV = true;
1867     Type *Ty = BackedgeTakenCount->getType();
1868     if (!EnableIVRewrite) {
1869       // In this mode, SimplifyIVUsers may have already widened the IV used by
1870       // the backedge test and inserted a Trunc on the compare's operand. Get
1871       // the wider type to avoid creating a redundant narrow IV only used by the
1872       // loop test.
1873       LargestType = getBackedgeIVType(L);
1874     }
1875     if (!LargestType ||
1876         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1877         SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1878       LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
1879   }
1880   if (EnableIVRewrite) {
1881     for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
1882       NeedCannIV = true;
1883       Type *Ty =
1884         SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
1885       if (!LargestType ||
1886           SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1887           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1888         LargestType = Ty;
1889     }
1890   }
1891
1892   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
1893   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
1894   PHINode *IndVar = 0;
1895   if (NeedCannIV) {
1896     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
1897     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
1898     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
1899     // doesn't attempt to reuse them.
1900     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
1901     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
1902       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
1903           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1904         OldCannIV->removeFromParent();
1905       else
1906         break;
1907       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
1908     }
1909
1910     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
1911
1912     ++NumInserted;
1913     Changed = true;
1914     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
1915
1916     // Now that the official induction variable is established, reinsert
1917     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
1918     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
1919     // the end of the pass.
1920     while (!OldCannIVs.empty()) {
1921       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
1922       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstInsertionPt());
1923     }
1924   }
1925   else if (!EnableIVRewrite && ExpandBECount && needsLFTR(L, DT)) {
1926     IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, TD);
1927   }
1928   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1929   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1930   Value *NewICmp = 0;
1931   if (ExpandBECount && IndVar) {
1932     // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1933     // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1934     // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1935     // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops, while
1936     // LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1937     //
1938     // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1939     // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1940     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1941     if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1942       NewICmp =
1943         LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar, Rewriter);
1944   }
1945   // Rewrite IV-derived expressions.
1946   if (EnableIVRewrite)
1947     RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
1948
1949   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1950   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1951   // trigger.
1952   Rewriter.clear();
1953
1954   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1955   // which are now dead.
1956   while (!DeadInsts.empty())
1957     if (Instruction *Inst =
1958           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1959       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
1960
1961   // The Rewriter may not be used from this point on.
1962
1963   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1964   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1965   SinkUnusedInvariants(L);
1966
1967   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
1968   // loop exit test instruction.
1969   if (IU && NewICmp) {
1970     ICmpInst *NewICmpInst = dyn_cast<ICmpInst>(NewICmp);
1971     if (NewICmpInst)
1972       IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmpInst->getOperand(0)));
1973   }
1974   // Clean up dead instructions.
1975   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
1976   // Check a post-condition.
1977   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
1978          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1979
1980   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
1981   // ability to compute trip count.
1982 #ifndef NDEBUG
1983   if (!EnableIVRewrite && VerifyIndvars &&
1984       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
1985     SE->forgetLoop(L);
1986     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1987     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
1988         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
1989       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
1990                                          BackedgeTakenCount->getType());
1991     else
1992       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
1993                                                  NewBECount->getType());
1994     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
1995   }
1996 #endif
1997
1998   return Changed;
1999 }