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