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