Make MemoryBuiltins aware of TargetLibraryInfo.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
15 // changes:
16 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
17 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
18 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
19 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
20 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
21 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
22 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
23 //      expression, this transformation will make the loop dead.
24 //
25 //===----------------------------------------------------------------------===//
26
27 #define DEBUG_TYPE "indvars"
28 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
29 #include "llvm/BasicBlock.h"
30 #include "llvm/Constants.h"
31 #include "llvm/Instructions.h"
32 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
33 #include "llvm/LLVMContext.h"
34 #include "llvm/Type.h"
35 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
36 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
37 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
39 #include "llvm/Support/CFG.h"
40 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
41 #include "llvm/Support/Debug.h"
42 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
43 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
44 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
45 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
46 #include "llvm/Target/TargetData.h"
47 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
48 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
49 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
50 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
54 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
55 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
56 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
57 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
58
59 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
60 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
61 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
62 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
63   "verify-indvars", cl::Hidden,
64   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
65
66 namespace {
67   class IndVarSimplify : public LoopPass {
68     LoopInfo        *LI;
69     ScalarEvolution *SE;
70     DominatorTree   *DT;
71     TargetData      *TD;
72     TargetLibraryInfo *TLI;
73
74     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
75     bool Changed;
76   public:
77
78     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
79     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), LI(0), SE(0), DT(0), TD(0),
80                        Changed(false) {
81       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
82     }
83
84     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
85
86     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
87       AU.addRequired<DominatorTree>();
88       AU.addRequired<LoopInfo>();
89       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
90       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
91       AU.addRequiredID(LCSSAID);
92       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
93       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
94       AU.addPreservedID(LCSSAID);
95       AU.setPreservesCFG();
96     }
97
98   private:
99     virtual void releaseMemory() {
100       DeadInsts.clear();
101     }
102
103     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
104
105     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
106     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
107
108     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
109
110     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
111
112     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
113                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
114
115     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
116   };
117 }
118
119 char IndVarSimplify::ID = 0;
120 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
121                 "Induction Variable Simplification", false, false)
122 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
123 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
124 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
125 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
126 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
127 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
128                 "Induction Variable Simplification", false, false)
129
130 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
131   return new IndVarSimplify();
132 }
133
134 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
135 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
136 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
137 /// Ideally, this function will only be called for verification.
138 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
139   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
140   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
141   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
142   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
143   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
144   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
145   // bail out here.
146   //
147   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
148   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
149   Value *FromPtr = FromVal;
150   Value *ToPtr = ToVal;
151   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
152     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
153   }
154   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
155     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
156   }
157   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
158     // Quickly check the common case
159     if (FromPtr == ToPtr)
160       return true;
161
162     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
163     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
164     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
165     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
166     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
167     // indexed by an integer recurrence.
168
169     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
170     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
171       return false;
172
173     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
174     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
175     if (FromBase == ToBase)
176       return true;
177
178     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
179           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
180
181     return false;
182   }
183   return true;
184 }
185
186 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
187 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
188 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
189 /// common dominator for the incoming blocks.
190 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
191                                           DominatorTree *DT) {
192   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
193   if (!PHI)
194     return User;
195
196   Instruction *InsertPt = 0;
197   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
198     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
199       continue;
200
201     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
202     if (!InsertPt) {
203       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
204       continue;
205     }
206     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
207     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
208   }
209   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
210   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
211           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
212          "def does not dominate all uses");
213   return InsertPt;
214 }
215
216 //===----------------------------------------------------------------------===//
217 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
218 //===----------------------------------------------------------------------===//
219
220 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
221 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
222   bool isExact = false;
223   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
224     return false;
225   // See if we can convert this to an int64_t
226   uint64_t UIntVal;
227   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
228                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
229     return false;
230   IntVal = UIntVal;
231   return true;
232 }
233
234 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
235 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
236 /// For example,
237 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
238 ///   bar(i)
239 /// is converted into
240 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
241 ///   bar((double)i);
242 ///
243 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
244   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
245   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
246
247   // Check incoming value.
248   ConstantFP *InitValueVal =
249     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
250
251   int64_t InitValue;
252   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
253     return;
254
255   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
256   // an add or increment value can not be represented by an integer.
257   BinaryOperator *Incr =
258     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
259   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
260
261   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
262   // is not an integer, bail out.
263   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
264   int64_t IncValue;
265   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
266       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
267     return;
268
269   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
270   // used by the conditional terminator.
271   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
272   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
273   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
274   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
275   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
276
277   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
278   // only used by a branch, we can't transform it.
279   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
280   if (!Compare)
281     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
282   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
283       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
284     return;
285
286   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
287
288   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
289   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
290   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
291   // of the loop.
292   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
293   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
294       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
295        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
296     return;
297
298
299   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
300   // transform it.
301   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
302   int64_t ExitValue;
303   if (ExitValueVal == 0 ||
304       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
305     return;
306
307   // Find new predicate for integer comparison.
308   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
309   switch (Compare->getPredicate()) {
310   default: return;  // Unknown comparison.
311   case CmpInst::FCMP_OEQ:
312   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
313   case CmpInst::FCMP_ONE:
314   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
315   case CmpInst::FCMP_OGT:
316   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
317   case CmpInst::FCMP_OGE:
318   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
319   case CmpInst::FCMP_OLT:
320   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
321   case CmpInst::FCMP_OLE:
322   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
323   }
324
325   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
326   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
327   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
328   // now.
329   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
330
331   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
332   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
333     return;
334
335   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
336   if (IncValue == 0)
337     return;
338
339   // Positive and negative strides have different safety conditions.
340   if (IncValue > 0) {
341     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
342     // exit value.
343     if (InitValue >= ExitValue)
344       return;
345
346     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
347     // Check for infinite loop, either:
348     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
349     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
350       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
351     }
352
353     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
354
355     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
356     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
357     // around and do things the fp IV wouldn't.
358     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
359         Leftover != 0)
360       return;
361
362     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
363     // transform the IV.
364     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
365       return;
366
367   } else {
368     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
369     // exit value.
370     if (InitValue <= ExitValue)
371       return;
372
373     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
374     // Check for infinite loop, either:
375     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
376     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
377       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
378     }
379
380     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
381
382     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
383     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
384     // around and do things the fp IV wouldn't.
385     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
386         Leftover != 0)
387       return;
388
389     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
390     // transform the IV.
391     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
392       return;
393   }
394
395   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
396
397   // Insert new integer induction variable.
398   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
399   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
400                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
401
402   Value *NewAdd =
403     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
404                               Incr->getName()+".int", Incr);
405   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
406
407   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
408                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
409                                       Compare->getName());
410
411   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
412   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
413   WeakVH WeakPH = PN;
414
415   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
416   // new comparison.
417   NewCompare->takeName(Compare);
418   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
419   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
420
421   // Delete the old floating point increment.
422   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
423   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
424
425   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
426   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
427   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
428   // int->fp cast.
429   //
430   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
431   // platforms.
432   if (WeakPH) {
433     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
434                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
435     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
436     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
437   }
438   Changed = true;
439 }
440
441 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
442   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
443   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
444   // the SCEV routines.
445   //
446   BasicBlock *Header = L->getHeader();
447
448   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
449   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
450        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
451     PHIs.push_back(PN);
452
453   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
454     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
455       HandleFloatingPointIV(L, PN);
456
457   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
458   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
459   // re-writing, the trip count may be computable.
460   if (Changed)
461     SE->forgetLoop(L);
462 }
463
464 //===----------------------------------------------------------------------===//
465 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
466 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
467 //===----------------------------------------------------------------------===//
468
469 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
470 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
471 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
472 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
473 /// the loop that use the final values of the current expressions.
474 ///
475 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
476 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
477 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
478 /// constant operands at the beginning of the loop.
479 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
480   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
481   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
482
483   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
484   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
485
486   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
487   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
488   // the exit blocks of the loop to find them.
489   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
490     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
491
492     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
493     // inside the loop are used on this path, skip it.
494     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
495     if (!PN) continue;
496
497     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
498
499     // Iterate over all of the PHI nodes.
500     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
501     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
502       if (PN->use_empty())
503         continue; // dead use, don't replace it
504
505       // SCEV only supports integer expressions for now.
506       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
507         continue;
508
509       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
510       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
511       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
512       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
513       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
514       SE->forgetValue(PN);
515
516       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
517       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
518         // If the value being merged in is not integer or is not defined
519         // in the loop, skip it.
520         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
521         if (!isa<Instruction>(InVal))
522           continue;
523
524         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
525         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
526           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
527
528         // Check that InVal is defined in the loop.
529         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
530         if (!L->contains(Inst))
531           continue;
532
533         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
534         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
535         // contains when the loop exits, if possible.
536         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
537         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L))
538           continue;
539
540         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
541
542         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
543                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
544
545         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
546           DeadInsts.push_back(ExitVal);
547           continue;
548         }
549         Changed = true;
550         ++NumReplaced;
551
552         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
553
554         // If this instruction is dead now, delete it.
555         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
556
557         if (NumPreds == 1) {
558           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
559           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
560           // node anymore.
561           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
562           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
563         }
564       }
565       if (NumPreds != 1) {
566         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
567         // any other maps purge the original user from their records.
568         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
569         NewPN->takeName(PN);
570         NewPN->insertBefore(PN);
571         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
572         PN->eraseFromParent();
573       }
574     }
575   }
576
577   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
578   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
579   Rewriter.clearInsertPoint();
580 }
581
582 //===----------------------------------------------------------------------===//
583 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
584 //===----------------------------------------------------------------------===//
585
586 namespace {
587   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
588   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
589   // provides the input to WidenIV.
590   struct WideIVInfo {
591     PHINode *NarrowIV;
592     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
593     bool IsSigned;          // Was an sext user seen before a zext?
594
595     WideIVInfo() : NarrowIV(0), WidestNativeType(0), IsSigned(false) {}
596   };
597
598   class WideIVVisitor : public IVVisitor {
599     ScalarEvolution *SE;
600     const TargetData *TD;
601
602   public:
603     WideIVInfo WI;
604
605     WideIVVisitor(PHINode *NarrowIV, ScalarEvolution *SCEV,
606                   const TargetData *TData) :
607       SE(SCEV), TD(TData) { WI.NarrowIV = NarrowIV; }
608
609     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
610     virtual void visitCast(CastInst *Cast);
611   };
612 }
613
614 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
615 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
616 /// the final width of the IV before actually widening it.
617 void WideIVVisitor::visitCast(CastInst *Cast) {
618   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
619   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
620     return;
621
622   Type *Ty = Cast->getType();
623   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
624   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
625     return;
626
627   if (!WI.WidestNativeType) {
628     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
629     WI.IsSigned = IsSigned;
630     return;
631   }
632
633   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
634   if (WI.IsSigned != IsSigned)
635     return;
636
637   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
638     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
639 }
640
641 namespace {
642
643 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
644 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
645 /// caching Use* pointers.
646 struct NarrowIVDefUse {
647   Instruction *NarrowDef;
648   Instruction *NarrowUse;
649   Instruction *WideDef;
650
651   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(0), NarrowUse(0), WideDef(0) {}
652
653   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
654     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
655 };
656
657 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
658 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
659 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
660 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
661 ///
662 class WidenIV {
663   // Parameters
664   PHINode *OrigPhi;
665   Type *WideType;
666   bool IsSigned;
667
668   // Context
669   LoopInfo        *LI;
670   Loop            *L;
671   ScalarEvolution *SE;
672   DominatorTree   *DT;
673
674   // Result
675   PHINode *WidePhi;
676   Instruction *WideInc;
677   const SCEV *WideIncExpr;
678   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
679
680   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
681   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
682
683 public:
684   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
685           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
686           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
687     OrigPhi(WI.NarrowIV),
688     WideType(WI.WidestNativeType),
689     IsSigned(WI.IsSigned),
690     LI(LInfo),
691     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
692     SE(SEv),
693     DT(DTree),
694     WidePhi(0),
695     WideInc(0),
696     WideIncExpr(0),
697     DeadInsts(DI) {
698     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
699   }
700
701   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
702
703 protected:
704   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
705                    Instruction *Use);
706
707   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
708
709   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
710
711   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
712
713   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
714
715   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
716 };
717 } // anonymous namespace
718
719 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
720 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
721 /// gratuitous for this purpose.
722 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
723   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
724   if (!Inst)
725     return true;
726
727   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
728 }
729
730 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
731                           Instruction *Use) {
732   // Set the debug location and conservative insertion point.
733   IRBuilder<> Builder(Use);
734   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
735   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
736        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
737        L = L->getParentLoop())
738     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
739
740   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
741                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
742 }
743
744 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
745 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
746 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
747 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
748   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
749   switch (Opcode) {
750   default:
751     return 0;
752   case Instruction::Add:
753   case Instruction::Mul:
754   case Instruction::UDiv:
755   case Instruction::Sub:
756   case Instruction::And:
757   case Instruction::Or:
758   case Instruction::Xor:
759   case Instruction::Shl:
760   case Instruction::LShr:
761   case Instruction::AShr:
762     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
763
764     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
765     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
766     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
767     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
768     // WidenIVUse.
769     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
770       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
771     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
772       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
773
774     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
775     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
776                                                     LHS, RHS,
777                                                     NarrowBO->getName());
778     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
779     Builder.Insert(WideBO);
780     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
781         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
782       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
783       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
784     }
785     return WideBO;
786   }
787 }
788
789 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
790 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
791 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
792 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
793 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
794   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
795   if (DU.NarrowUse->getOpcode() != Instruction::Add)
796     return 0;
797
798   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
799   // if extending the other will lead to a recurrence.
800   unsigned ExtendOperIdx = DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
801   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
802
803   const SCEV *ExtendOperExpr = 0;
804   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
805     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
806   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
807     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
808       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
809   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
810     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
811       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
812   else
813     return 0;
814
815   // When creating this AddExpr, don't apply the current operations NSW or NUW
816   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
817   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
818   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
819   // semantics to those operations.
820   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(
821     SE->getAddExpr(SE->getSCEV(DU.WideDef), ExtendOperExpr));
822
823   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
824     return 0;
825   return AddRec;
826 }
827
828 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
829 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
830 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
831 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
832 /// recurrence. Otherwise return NULL.
833 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
834   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
835     return 0;
836
837   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
838   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
839       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
840     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
841     // index. So don't follow this use.
842     return 0;
843   }
844
845   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
846     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
847     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
848   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
849   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
850     return 0;
851   return AddRec;
852 }
853
854 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
855 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
856 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
857
858   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
859   if (isa<PHINode>(DU.NarrowUse) &&
860       LI->getLoopFor(DU.NarrowUse->getParent()) != L)
861     return 0;
862
863   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
864   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
865     Value *NewDef = DU.WideDef;
866     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
867       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
868       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
869       if (CastWidth < IVWidth) {
870         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
871         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
872         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
873       }
874       else {
875         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
876         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
877         // dead. It should be very rare.
878         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
879               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
880         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
881         NewDef = DU.NarrowUse;
882       }
883     }
884     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
885       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
886             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
887       ++NumElimExt;
888       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
889       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
890     }
891     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
892     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
893     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
894     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
895     // push the uses of WideDef here.
896
897     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
898     return 0;
899   }
900
901   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
902   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
903   if (!WideAddRec) {
904       WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
905   }
906   if (!WideAddRec) {
907     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
908     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
909     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
910     IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
911     Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
912     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
913     return 0;
914   }
915   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
916   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
917   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
918          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
919
920   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
921   // NarrowUse.
922   Instruction *WideUse = 0;
923   if (WideAddRec == WideIncExpr
924       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
925     WideUse = WideInc;
926   else {
927     WideUse = CloneIVUser(DU);
928     if (!WideUse)
929       return 0;
930   }
931   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
932   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
933   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
934   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
935   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
936   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
937     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
938           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
939     DeadInsts.push_back(WideUse);
940     return 0;
941   }
942
943   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
944   return WideUse;
945 }
946
947 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
948 ///
949 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
950   for (Value::use_iterator UI = NarrowDef->use_begin(),
951          UE = NarrowDef->use_end(); UI != UE; ++UI) {
952     Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(*UI);
953
954     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
955     if (!Widened.insert(NarrowUse))
956       continue;
957
958     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUse, WideDef));
959   }
960 }
961
962 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
963 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
964 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
965 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
966 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
967 /// DeleteDeadPHIs.
968 ///
969 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
970 /// invalidating SCEV expressions.
971 ///
972 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
973   // Is this phi an induction variable?
974   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
975   if (!AddRec)
976     return NULL;
977
978   // Widen the induction variable expression.
979   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
980     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
981     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
982
983   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
984          "Expect the new IV expression to preserve its type");
985
986   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
987   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
988   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
989     return NULL;
990
991   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
992   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
993   // operands, so they must dominate the loop header.
994   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
995          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
996          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
997
998   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
999   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1000   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1001   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1002   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1003   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1004
1005   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1006   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1007   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1008   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1009   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1010     WideInc =
1011       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1012     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1013   }
1014
1015   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1016   ++NumWidened;
1017
1018   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1019   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1020
1021   Widened.insert(OrigPhi);
1022   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1023
1024   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1025     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1026
1027     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1028     // use_iterator across it.
1029     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1030
1031     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1032     if (WideUse)
1033       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1034
1035     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1036     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1037       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1038   }
1039   return WidePhi;
1040 }
1041
1042 //===----------------------------------------------------------------------===//
1043 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1044 //===----------------------------------------------------------------------===//
1045
1046
1047 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1048 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1049 /// themselves be candidates for simplification.
1050 ///
1051 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1052 ///
1053 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1054                                        SCEVExpander &Rewriter,
1055                                        LPPassManager &LPM) {
1056   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1057
1058   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1059   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1060     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1061   }
1062   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1063   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1064   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1065   // simplification on the wide IVs.
1066   while (!LoopPhis.empty()) {
1067     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1068     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1069     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1070     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1071     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1072     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1073     do {
1074       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1075
1076       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1077       WideIVVisitor WIV(CurrIV, SE, TD);
1078
1079       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &WIV);
1080
1081       if (WIV.WI.WidestNativeType) {
1082         WideIVs.push_back(WIV.WI);
1083       }
1084     } while(!LoopPhis.empty());
1085
1086     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1087       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1088       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1089         Changed = true;
1090         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1091       }
1092     }
1093   }
1094 }
1095
1096 //===----------------------------------------------------------------------===//
1097 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1098 //===----------------------------------------------------------------------===//
1099
1100 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1101 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1102 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1103 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1104                                 SmallPtrSet<const SCEV*, 8> &Processed,
1105                                 ScalarEvolution *SE) {
1106   if (!Processed.insert(S))
1107     return false;
1108
1109   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1110   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1111   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1112   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1113   // forego rewriting the loop.
1114   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1115     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1116     if (!OrigCond) return true;
1117     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1118     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1119     if (R != S) {
1120       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1121       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1122       if (L != S)
1123         return true;
1124     }
1125   }
1126
1127   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1128   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1129   // they are not too expensive rematerialize.
1130   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1131     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1132          I != E; ++I) {
1133       if (isHighCostExpansion(*I, BI, Processed, SE))
1134         return true;
1135     }
1136     return false;
1137   }
1138
1139   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1140   // the exit condition.
1141   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1142     return true;
1143
1144   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1145   // expression produced by program code.
1146   return false;
1147 }
1148
1149 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1150 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1151 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1152 ///
1153 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1154 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1155 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1156 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1157 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1158 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1159 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1160 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1161 /// into inequality tests.
1162 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1163   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1164   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1165       BackedgeTakenCount->isZero())
1166     return false;
1167
1168   if (!L->getExitingBlock())
1169     return false;
1170
1171   // Can't rewrite non-branch yet.
1172   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1173   if (!BI)
1174     return false;
1175
1176   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
1177   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, Processed, SE))
1178     return false;
1179
1180   return true;
1181 }
1182
1183 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1184 /// invariant value to the phi.
1185 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1186   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1187   if (!IncI)
1188     return 0;
1189
1190   switch (IncI->getOpcode()) {
1191   case Instruction::Add:
1192   case Instruction::Sub:
1193     break;
1194   case Instruction::GetElementPtr:
1195     // An IV counter must preserve its type.
1196     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1197       break;
1198   default:
1199     return 0;
1200   }
1201
1202   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1203   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1204     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1205       return Phi;
1206     return 0;
1207   }
1208   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1209     return 0;
1210
1211   // Allow add/sub to be commuted.
1212   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1213   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1214     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1215       return Phi;
1216   }
1217   return 0;
1218 }
1219
1220 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1221 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1222   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1223
1224   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1225   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1226   if (!LatchBlock)
1227     return 0;
1228
1229   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1230   assert(BI && "expected exit branch");
1231
1232   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1233 }
1234
1235 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1236 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1237 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1238   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1239   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1240   if (!Cond)
1241     return true;
1242
1243   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1244   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1245   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1246     return true;
1247
1248   // Look for a loop invariant RHS
1249   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1250   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1251   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1252     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1253       return true;
1254     std::swap(LHS, RHS);
1255   }
1256   // Look for a simple IV counter LHS
1257   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1258   if (!Phi)
1259     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1260
1261   if (!Phi)
1262     return true;
1263
1264   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1265   Value *IncV = Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch());
1266   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1267 }
1268
1269 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1270 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1271 /// that may hide undef.
1272 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSet<Value*, 8> &Visited,
1273                                unsigned Depth) {
1274   if (isa<Constant>(V))
1275     return !isa<UndefValue>(V);
1276
1277   if (Depth >= 6)
1278     return false;
1279
1280   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1281   // may be undef.
1282   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1283   if (!I)
1284     return false;
1285
1286   // Load and return values may be undef.
1287   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1288     return false;
1289
1290   // Optimistically handle other instructions.
1291   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1292     if (!Visited.insert(*OI))
1293       continue;
1294     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1295       return false;
1296   }
1297   return true;
1298 }
1299
1300 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1301 /// never reach it.
1302 ///
1303 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1304 /// may factor it into a common location.
1305 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1306   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1307   Visited.insert(V);
1308   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1309 }
1310
1311 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1312 /// be rewritten) loop exit test.
1313 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1314   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1315   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1316
1317   for (Value::use_iterator UI = Phi->use_begin(), UE = Phi->use_end();
1318        UI != UE; ++UI) {
1319     if (*UI != Cond && *UI != IncV) return false;
1320   }
1321
1322   for (Value::use_iterator UI = IncV->use_begin(), UE = IncV->use_end();
1323        UI != UE; ++UI) {
1324     if (*UI != Cond && *UI != Phi) return false;
1325   }
1326   return true;
1327 }
1328
1329 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1330 ///
1331 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1332 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1333 /// expression as far as SCEV is concerned.
1334 ///
1335 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1336 ///
1337 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1338 ///
1339 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1340 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1341 /// could at least handle constant BECounts.
1342 static PHINode *
1343 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1344                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const TargetData *TD) {
1345   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1346
1347   Value *Cond =
1348     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1349
1350   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1351   PHINode *BestPhi = 0;
1352   const SCEV *BestInit = 0;
1353   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1354   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1355
1356   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1357     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1358     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1359       continue;
1360
1361     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1362     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1363       continue;
1364
1365     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1366     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1367       continue;
1368
1369     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1370     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1371     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1372     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1373     if (PhiWidth < BCWidth || (TD && !TD->isLegalInteger(PhiWidth)))
1374       continue;
1375
1376     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1377     if (!Step || !Step->isOne())
1378       continue;
1379
1380     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1381     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1382     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1383       continue;
1384
1385     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1386     // have originally had a concrete definition.
1387     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1388       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1389       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1390       // increase the number of undef users.
1391       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1392         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1393             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1394           continue;
1395         }
1396       }
1397     }
1398     const SCEV *Init = AR->getStart();
1399
1400     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1401       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1402       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1403         continue;
1404
1405       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1406       // also prefers integer to pointer IVs.
1407       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1408         if (BestInit->isZero())
1409           continue;
1410       }
1411       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1412       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1413       // to allow the other to be eliminated.
1414       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1415         continue;
1416     }
1417     BestPhi = Phi;
1418     BestInit = Init;
1419   }
1420   return BestPhi;
1421 }
1422
1423 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1424 /// holds the RHS of the new loop test.
1425 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1426                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1427   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1428   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1429   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1430
1431   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1432   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1433   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1434   // the existing GEPs whenever possible.
1435   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1436       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1437
1438     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1439     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrSignExtend(IVCount, OfsTy);
1440
1441     // Expand the code for the iteration count.
1442     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1443            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1444     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1445     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1446
1447     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1448     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1449     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1450     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1451     assert(SE->getSizeOfExpr(
1452              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1453            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1454
1455     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1456     return Builder.CreateGEP(GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1457   }
1458   else {
1459     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1460     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1461     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1462     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1463     //
1464     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1465     // for simple memset-style loops; (3) IVInit is an integer and IVCount is a
1466     // pointer may occur when enable-iv-rewrite generates a canonical IV on top
1467     // of case #2.
1468
1469     const SCEV *IVLimit = 0;
1470     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1471     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1472     if (AR->getStart()->isZero())
1473       IVLimit = IVCount;
1474     else {
1475       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1476       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1477
1478       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1479       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1480           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1481         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1482
1483       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1484     }
1485     // Expand the code for the iteration count.
1486     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1487     IRBuilder<> Builder(BI);
1488     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1489            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1490     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1491     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1492     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1493     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1494       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1495     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1496   }
1497 }
1498
1499 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1500 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1501 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1502 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1503 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1504 Value *IndVarSimplify::
1505 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1506                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1507                           PHINode *IndVar,
1508                           SCEVExpander &Rewriter) {
1509   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1510
1511   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1512   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1513   Type *CntTy = BackedgeTakenCount->getType();
1514
1515   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1516
1517   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1518   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1519   // against the preincremented value.
1520   Value *CmpIndVar;
1521   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1522     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1523     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
1524     // cast the induction variable before doing the add.
1525     const SCEV *N =
1526       SE->getAddExpr(IVCount, SE->getConstant(IVCount->getType(), 1));
1527     if (CntTy == IVCount->getType())
1528       IVCount = N;
1529     else {
1530       const SCEV *Zero = SE->getConstant(IVCount->getType(), 0);
1531       if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
1532           SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
1533         // No overflow. Cast the sum.
1534         IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, CntTy);
1535       } else {
1536         // Potential overflow. Cast before doing the add.
1537         IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, CntTy);
1538         IVCount = SE->getAddExpr(IVCount, SE->getConstant(CntTy, 1));
1539       }
1540     }
1541     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1542     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1543     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1544     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1545   } else {
1546     // We must use the preincremented value...
1547     IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, CntTy);
1548     CmpIndVar = IndVar;
1549   }
1550
1551   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1552   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1553          && "genLoopLimit missed a cast");
1554
1555   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1556   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1557   ICmpInst::Predicate P;
1558   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1559     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1560   else
1561     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1562
1563   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1564                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1565                << "       op:\t"
1566                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1567                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1568                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1569
1570   IRBuilder<> Builder(BI);
1571   if (SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType())
1572       > SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType())) {
1573     CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1574                                     "lftr.wideiv");
1575   }
1576
1577   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1578   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1579   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1580   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1581   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1582   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1583   // will make old comparison dead.
1584   BI->setCondition(Cond);
1585   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1586
1587   ++NumLFTR;
1588   Changed = true;
1589   return Cond;
1590 }
1591
1592 //===----------------------------------------------------------------------===//
1593 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1594 //===----------------------------------------------------------------------===//
1595
1596 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1597 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1598 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1599 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1600   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1601   if (!ExitBlock) return;
1602
1603   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1604   if (!Preheader) return;
1605
1606   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1607   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1608   while (I != Preheader->begin()) {
1609     --I;
1610     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1611     if (isa<PHINode>(I))
1612       break;
1613
1614     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1615     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1616     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1617     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1618     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1619     // block.
1620     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1621       continue;
1622
1623     // Skip debug info intrinsics.
1624     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1625       continue;
1626
1627     // Skip landingpad instructions.
1628     if (isa<LandingPadInst>(I))
1629       continue;
1630
1631     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1632     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1633     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1634     // FIXME: Refactor this check somehow?
1635     if (isa<AllocaInst>(I))
1636       continue;
1637
1638     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1639     // otherwise).
1640     bool UsedInLoop = false;
1641     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1642          UI != UE; ++UI) {
1643       User *U = *UI;
1644       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1645       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1646         unsigned i =
1647           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1648         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1649       }
1650       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1651         UsedInLoop = true;
1652         break;
1653       }
1654     }
1655
1656     // If there is, the def must remain in the preheader.
1657     if (UsedInLoop)
1658       continue;
1659
1660     // Otherwise, sink it to the exit block.
1661     Instruction *ToMove = I;
1662     bool Done = false;
1663
1664     if (I != Preheader->begin()) {
1665       // Skip debug info intrinsics.
1666       do {
1667         --I;
1668       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1669
1670       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1671         Done = true;
1672     } else {
1673       Done = true;
1674     }
1675
1676     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1677     if (Done) break;
1678     InsertPt = ToMove;
1679   }
1680 }
1681
1682 //===----------------------------------------------------------------------===//
1683 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1684 //===----------------------------------------------------------------------===//
1685
1686 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1687   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1688   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1689   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1690   //    afterwards.
1691   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1692   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1693   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1694   //    we've manually inserted one.
1695   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1696     return false;
1697
1698   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1699   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1700   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1701   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1702   TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
1703
1704   DeadInsts.clear();
1705   Changed = false;
1706
1707   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1708   // transform them to use integer recurrences.
1709   RewriteNonIntegerIVs(L);
1710
1711   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1712
1713   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1714   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1715 #ifndef NDEBUG
1716   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1717 #endif
1718
1719   // Eliminate redundant IV users.
1720   //
1721   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1722   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1723   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1724   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1725   Rewriter.disableCanonicalMode();
1726   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1727
1728   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1729   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1730   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1731   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1732   // the current expressions.
1733   //
1734   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1735     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1736
1737   // Eliminate redundant IV cycles.
1738   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
1739
1740   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1741   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1742   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && needsLFTR(L, DT)) {
1743     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, TD);
1744     if (IndVar) {
1745       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1746       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1747       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1748       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops, while
1749       // LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1750       //
1751       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1752       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1753       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1754       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1755         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
1756                                         Rewriter);
1757     }
1758   }
1759   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1760   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1761   // trigger.
1762   Rewriter.clear();
1763
1764   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1765   // which are now dead.
1766   while (!DeadInsts.empty())
1767     if (Instruction *Inst =
1768           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1769       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
1770
1771   // The Rewriter may not be used from this point on.
1772
1773   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1774   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1775   SinkUnusedInvariants(L);
1776
1777   // Clean up dead instructions.
1778   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
1779   // Check a post-condition.
1780   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
1781          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1782
1783   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
1784   // ability to compute trip count.
1785 #ifndef NDEBUG
1786   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
1787     SE->forgetLoop(L);
1788     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1789     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
1790         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
1791       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
1792                                          BackedgeTakenCount->getType());
1793     else
1794       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
1795                                                  NewBECount->getType());
1796     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
1797   }
1798 #endif
1799
1800   return Changed;
1801 }