[PM] Split the LoopInfo object apart from the legacy pass, creating
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
15 // changes:
16 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
17 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
18 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
19 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
20 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
21 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
22 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
23 //      expression, this transformation will make the loop dead.
24 //
25 //===----------------------------------------------------------------------===//
26
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
33 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
34 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
35 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
36 #include "llvm/IR/CFG.h"
37 #include "llvm/IR/Constants.h"
38 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
39 #include "llvm/IR/Dominators.h"
40 #include "llvm/IR/Instructions.h"
41 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
42 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
43 #include "llvm/IR/Type.h"
44 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
45 #include "llvm/Support/Debug.h"
46 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
47 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
48 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
50 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
51 using namespace llvm;
52
53 #define DEBUG_TYPE "indvars"
54
55 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
56 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
57 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
58 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
59 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
60
61 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
62 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
63 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
64 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
65   "verify-indvars", cl::Hidden,
66   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
67
68 static cl::opt<bool> ReduceLiveIVs("liv-reduce", cl::Hidden,
69   cl::desc("Reduce live induction variables."));
70
71 namespace {
72   class IndVarSimplify : public LoopPass {
73     LoopInfo                  *LI;
74     ScalarEvolution           *SE;
75     DominatorTree             *DT;
76     const DataLayout          *DL;
77     TargetLibraryInfo         *TLI;
78     const TargetTransformInfo *TTI;
79
80     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
81     bool Changed;
82   public:
83
84     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
85     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), LI(nullptr), SE(nullptr), DT(nullptr),
86                        DL(nullptr), Changed(false) {
87       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
88     }
89
90     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
91
92     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
93       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
94       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
95       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
96       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
97       AU.addRequiredID(LCSSAID);
98       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
99       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
100       AU.addPreservedID(LCSSAID);
101       AU.setPreservesCFG();
102     }
103
104   private:
105     void releaseMemory() override {
106       DeadInsts.clear();
107     }
108
109     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
110
111     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
112     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
113
114     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
115
116     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
117
118     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
119                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
120
121     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
122   };
123 }
124
125 char IndVarSimplify::ID = 0;
126 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
127                 "Induction Variable Simplification", false, false)
128 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
129 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
130 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
131 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
132 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
133 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
134                 "Induction Variable Simplification", false, false)
135
136 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
137   return new IndVarSimplify();
138 }
139
140 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
141 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
142 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
143 /// Ideally, this function will only be called for verification.
144 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
145   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
146   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
147   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
148   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
149   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
150   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
151   // bail out here.
152   //
153   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
154   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
155   Value *FromPtr = FromVal;
156   Value *ToPtr = ToVal;
157   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
158     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
159   }
160   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
161     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
162   }
163   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
164     // Quickly check the common case
165     if (FromPtr == ToPtr)
166       return true;
167
168     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
169     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
170     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
171     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
172     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
173     // indexed by an integer recurrence.
174
175     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
176     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
177       return false;
178
179     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
180     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
181     if (FromBase == ToBase)
182       return true;
183
184     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
185           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
186
187     return false;
188   }
189   return true;
190 }
191
192 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
193 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
194 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
195 /// common dominator for the incoming blocks.
196 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
197                                           DominatorTree *DT) {
198   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
199   if (!PHI)
200     return User;
201
202   Instruction *InsertPt = nullptr;
203   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
204     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
205       continue;
206
207     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
208     if (!InsertPt) {
209       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
210       continue;
211     }
212     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
213     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
214   }
215   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
216   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
217           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
218          "def does not dominate all uses");
219   return InsertPt;
220 }
221
222 //===----------------------------------------------------------------------===//
223 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
224 //===----------------------------------------------------------------------===//
225
226 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
227 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
228   bool isExact = false;
229   // See if we can convert this to an int64_t
230   uint64_t UIntVal;
231   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
232                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
233     return false;
234   IntVal = UIntVal;
235   return true;
236 }
237
238 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
239 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
240 /// For example,
241 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
242 ///   bar(i)
243 /// is converted into
244 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
245 ///   bar((double)i);
246 ///
247 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
248   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
249   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
250
251   // Check incoming value.
252   ConstantFP *InitValueVal =
253     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
254
255   int64_t InitValue;
256   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
257     return;
258
259   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
260   // an add or increment value can not be represented by an integer.
261   BinaryOperator *Incr =
262     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
263   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
264
265   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
266   // is not an integer, bail out.
267   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
268   int64_t IncValue;
269   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
270       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
271     return;
272
273   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
274   // used by the conditional terminator.
275   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
276   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
277   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
278   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
279   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
280
281   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
282   // only used by a branch, we can't transform it.
283   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
284   if (!Compare)
285     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
286   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
287       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
288     return;
289
290   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
291
292   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
293   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
294   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
295   // of the loop.
296   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
297   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
298       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
299        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
300     return;
301
302
303   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
304   // transform it.
305   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
306   int64_t ExitValue;
307   if (ExitValueVal == nullptr ||
308       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
309     return;
310
311   // Find new predicate for integer comparison.
312   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
313   switch (Compare->getPredicate()) {
314   default: return;  // Unknown comparison.
315   case CmpInst::FCMP_OEQ:
316   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
317   case CmpInst::FCMP_ONE:
318   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
319   case CmpInst::FCMP_OGT:
320   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
321   case CmpInst::FCMP_OGE:
322   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
323   case CmpInst::FCMP_OLT:
324   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
325   case CmpInst::FCMP_OLE:
326   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
327   }
328
329   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
330   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
331   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
332   // now.
333   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
334
335   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
336   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
337     return;
338
339   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
340   if (IncValue == 0)
341     return;
342
343   // Positive and negative strides have different safety conditions.
344   if (IncValue > 0) {
345     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
346     // exit value.
347     if (InitValue >= ExitValue)
348       return;
349
350     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
351     // Check for infinite loop, either:
352     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
353     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
354       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
355     }
356
357     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
358
359     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
360     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
361     // around and do things the fp IV wouldn't.
362     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
363         Leftover != 0)
364       return;
365
366     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
367     // transform the IV.
368     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
369       return;
370
371   } else {
372     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
373     // exit value.
374     if (InitValue <= ExitValue)
375       return;
376
377     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
378     // Check for infinite loop, either:
379     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
380     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
381       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
382     }
383
384     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
385
386     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
387     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
388     // around and do things the fp IV wouldn't.
389     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
390         Leftover != 0)
391       return;
392
393     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
394     // transform the IV.
395     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
396       return;
397   }
398
399   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
400
401   // Insert new integer induction variable.
402   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
403   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
404                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
405
406   Value *NewAdd =
407     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
408                               Incr->getName()+".int", Incr);
409   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
410
411   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
412                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
413                                       Compare->getName());
414
415   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
416   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
417   WeakVH WeakPH = PN;
418
419   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
420   // new comparison.
421   NewCompare->takeName(Compare);
422   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
423   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
424
425   // Delete the old floating point increment.
426   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
427   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
428
429   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
430   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
431   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
432   // int->fp cast.
433   //
434   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
435   // platforms.
436   if (WeakPH) {
437     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
438                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
439     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
440     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
441   }
442   Changed = true;
443 }
444
445 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
446   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
447   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
448   // the SCEV routines.
449   //
450   BasicBlock *Header = L->getHeader();
451
452   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
453   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
454        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
455     PHIs.push_back(PN);
456
457   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
458     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
459       HandleFloatingPointIV(L, PN);
460
461   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
462   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
463   // re-writing, the trip count may be computable.
464   if (Changed)
465     SE->forgetLoop(L);
466 }
467
468 //===----------------------------------------------------------------------===//
469 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
470 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
471 //===----------------------------------------------------------------------===//
472
473 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
474 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
475 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
476 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
477 /// the loop that use the final values of the current expressions.
478 ///
479 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
480 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
481 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
482 /// constant operands at the beginning of the loop.
483 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
484   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
485   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
486
487   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
488   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
489
490   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
491   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
492   // the exit blocks of the loop to find them.
493   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
494     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
495
496     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
497     // inside the loop are used on this path, skip it.
498     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
499     if (!PN) continue;
500
501     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
502
503     // We would like to be able to RAUW single-incoming value PHI nodes. We
504     // have to be certain this is safe even when this is an LCSSA PHI node.
505     // While the computed exit value is no longer varying in *this* loop, the
506     // exit block may be an exit block for an outer containing loop as well,
507     // the exit value may be varying in the outer loop, and thus it may still
508     // require an LCSSA PHI node. The safe case is when this is
509     // single-predecessor PHI node (LCSSA) and the exit block containing it is
510     // part of the enclosing loop, or this is the outer most loop of the nest.
511     // In either case the exit value could (at most) be varying in the same
512     // loop body as the phi node itself. Thus if it is in turn used outside of
513     // an enclosing loop it will only be via a separate LCSSA node.
514     bool LCSSASafePhiForRAUW =
515         NumPreds == 1 &&
516         (!L->getParentLoop() || L->getParentLoop() == LI->getLoopFor(ExitBB));
517
518     // Iterate over all of the PHI nodes.
519     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
520     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
521       if (PN->use_empty())
522         continue; // dead use, don't replace it
523
524       // SCEV only supports integer expressions for now.
525       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
526         continue;
527
528       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
529       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
530       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
531       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
532       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
533       SE->forgetValue(PN);
534
535       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
536       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
537         // If the value being merged in is not integer or is not defined
538         // in the loop, skip it.
539         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
540         if (!isa<Instruction>(InVal))
541           continue;
542
543         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
544         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
545           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
546
547         // Check that InVal is defined in the loop.
548         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
549         if (!L->contains(Inst))
550           continue;
551
552         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
553         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
554         // contains when the loop exits, if possible.
555         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
556         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
557             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
558           continue;
559
560         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
561         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
562         //    optimized away.
563         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
564         //    computation out of the loop
565         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
566           unsigned NumHardInternalUses = 0;
567           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
568           unsigned NumUses = 0;
569           for (auto IB = Inst->user_begin(), IE = Inst->user_end();
570                IB != IE && NumUses <= 6; ++IB) {
571             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
572             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
573             NumUses++;
574             if (L->contains(UseInstr)) {
575               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
576                 NumHardInternalUses++;
577             } else {
578               if (Opc == Instruction::PHI) {
579                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
580                 // plenty of trivial ones.
581                 NumUses--;
582                 for (auto PB = UseInstr->user_begin(),
583                           PE = UseInstr->user_end();
584                      PB != PE && NumUses <= 6; ++PB, ++NumUses) {
585                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
586                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
587                     NumSoftExternalUses++;
588                 }
589                 continue;
590               }
591               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
592                 NumSoftExternalUses++;
593             }
594           }
595           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
596             continue;
597         }
598
599         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
600
601         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
602                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
603
604         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
605           DeadInsts.push_back(ExitVal);
606           continue;
607         }
608         Changed = true;
609         ++NumReplaced;
610
611         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
612
613         // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
614         // invalidating iterators.
615         if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
616           DeadInsts.push_back(Inst);
617
618         // If we determined that this PHI is safe to replace even if an LCSSA
619         // PHI, do so.
620         if (LCSSASafePhiForRAUW) {
621           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
622           PN->eraseFromParent();
623         }
624       }
625
626       // If we were unable to completely replace the PHI node, clone the PHI
627       // and delete the original one. This lets IVUsers and any other maps
628       // purge the original user from their records.
629       if (!LCSSASafePhiForRAUW) {
630         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
631         NewPN->takeName(PN);
632         NewPN->insertBefore(PN);
633         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
634         PN->eraseFromParent();
635       }
636     }
637   }
638
639   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
640   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
641   Rewriter.clearInsertPoint();
642 }
643
644 //===----------------------------------------------------------------------===//
645 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
646 //===----------------------------------------------------------------------===//
647
648 namespace {
649   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
650   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
651   // provides the input to WidenIV.
652   struct WideIVInfo {
653     PHINode *NarrowIV;
654     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
655     bool IsSigned;          // Was a sext user seen before a zext?
656
657     WideIVInfo() : NarrowIV(nullptr), WidestNativeType(nullptr),
658                    IsSigned(false) {}
659   };
660 }
661
662 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
663 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
664 /// the final width of the IV before actually widening it.
665 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
666                         const DataLayout *DL, const TargetTransformInfo *TTI) {
667   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
668   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
669     return;
670
671   Type *Ty = Cast->getType();
672   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
673   if (DL && !DL->isLegalInteger(Width))
674     return;
675
676   // Cast is either an sext or zext up to this point.
677   // We should not widen an indvar if arithmetics on the wider indvar are more
678   // expensive than those on the narrower indvar. We check only the cost of ADD
679   // because at least an ADD is required to increment the induction variable. We
680   // could compute more comprehensively the cost of all instructions on the
681   // induction variable when necessary.
682   if (TTI &&
683       TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add, Ty) >
684           TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add,
685                                       Cast->getOperand(0)->getType())) {
686     return;
687   }
688
689   if (!WI.WidestNativeType) {
690     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
691     WI.IsSigned = IsSigned;
692     return;
693   }
694
695   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
696   if (WI.IsSigned != IsSigned)
697     return;
698
699   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
700     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
701 }
702
703 namespace {
704
705 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
706 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
707 /// caching Use* pointers.
708 struct NarrowIVDefUse {
709   Instruction *NarrowDef;
710   Instruction *NarrowUse;
711   Instruction *WideDef;
712
713   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(nullptr), NarrowUse(nullptr), WideDef(nullptr) {}
714
715   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
716     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
717 };
718
719 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
720 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
721 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
722 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
723 ///
724 class WidenIV {
725   // Parameters
726   PHINode *OrigPhi;
727   Type *WideType;
728   bool IsSigned;
729
730   // Context
731   LoopInfo        *LI;
732   Loop            *L;
733   ScalarEvolution *SE;
734   DominatorTree   *DT;
735
736   // Result
737   PHINode *WidePhi;
738   Instruction *WideInc;
739   const SCEV *WideIncExpr;
740   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
741
742   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
743   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
744
745 public:
746   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
747           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
748           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
749     OrigPhi(WI.NarrowIV),
750     WideType(WI.WidestNativeType),
751     IsSigned(WI.IsSigned),
752     LI(LInfo),
753     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
754     SE(SEv),
755     DT(DTree),
756     WidePhi(nullptr),
757     WideInc(nullptr),
758     WideIncExpr(nullptr),
759     DeadInsts(DI) {
760     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
761   }
762
763   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
764
765 protected:
766   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
767                    Instruction *Use);
768
769   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
770
771   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
772
773   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
774
775   const SCEV *GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
776                               unsigned OpCode) const;
777
778   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
779
780   bool WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
781
782   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
783 };
784 } // anonymous namespace
785
786 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
787 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
788 /// gratuitous for this purpose.
789 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
790   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
791   if (!Inst)
792     return true;
793
794   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
795 }
796
797 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
798                           Instruction *Use) {
799   // Set the debug location and conservative insertion point.
800   IRBuilder<> Builder(Use);
801   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
802   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
803        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
804        L = L->getParentLoop())
805     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
806
807   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
808                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
809 }
810
811 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
812 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
813 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
814 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
815   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
816   switch (Opcode) {
817   default:
818     return nullptr;
819   case Instruction::Add:
820   case Instruction::Mul:
821   case Instruction::UDiv:
822   case Instruction::Sub:
823   case Instruction::And:
824   case Instruction::Or:
825   case Instruction::Xor:
826   case Instruction::Shl:
827   case Instruction::LShr:
828   case Instruction::AShr:
829     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
830
831     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
832     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
833     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
834     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
835     // WidenIVUse.
836     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
837       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
838     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
839       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
840
841     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
842     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
843                                                     LHS, RHS,
844                                                     NarrowBO->getName());
845     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
846     Builder.Insert(WideBO);
847     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
848         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
849       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
850       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
851     }
852     return WideBO;
853   }
854 }
855
856 const SCEV *WidenIV::GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
857                                      unsigned OpCode) const {
858   if (OpCode == Instruction::Add)
859     return SE->getAddExpr(LHS, RHS);
860   if (OpCode == Instruction::Sub)
861     return SE->getMinusSCEV(LHS, RHS);
862   if (OpCode == Instruction::Mul)
863     return SE->getMulExpr(LHS, RHS);
864
865   llvm_unreachable("Unsupported opcode.");
866 }
867
868 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
869 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
870 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
871 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
872 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
873
874   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
875   const unsigned OpCode = DU.NarrowUse->getOpcode();
876   // Only Add/Sub/Mul instructions supported yet.
877   if (OpCode != Instruction::Add && OpCode != Instruction::Sub &&
878       OpCode != Instruction::Mul)
879     return nullptr;
880
881   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
882   // if extending the other will lead to a recurrence.
883   const unsigned ExtendOperIdx =
884       DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
885   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
886
887   const SCEV *ExtendOperExpr = nullptr;
888   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
889     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
890   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
891     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
892       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
893   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
894     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
895       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
896   else
897     return nullptr;
898
899   // When creating this SCEV expr, don't apply the current operations NSW or NUW
900   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
901   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
902   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
903   // semantics to those operations.
904   const SCEV *lhs = SE->getSCEV(DU.WideDef);
905   const SCEV *rhs = ExtendOperExpr;
906
907   // Let's swap operands to the initial order for the case of non-commutative
908   // operations, like SUB. See PR21014.
909   if (ExtendOperIdx == 0)
910     std::swap(lhs, rhs);
911   const SCEVAddRecExpr *AddRec =
912       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(GetSCEVByOpCode(lhs, rhs, OpCode));
913
914   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
915     return nullptr;
916   return AddRec;
917 }
918
919 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
920 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
921 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
922 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
923 /// recurrence. Otherwise return NULL.
924 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
925   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
926     return nullptr;
927
928   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
929   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
930       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
931     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
932     // index. So don't follow this use.
933     return nullptr;
934   }
935
936   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
937     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
938     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
939   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
940   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
941     return nullptr;
942   return AddRec;
943 }
944
945 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
946 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
947 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
948   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
949         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
950   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
951   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
952   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
953 }
954
955 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
956 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
957 // loop preheader as far as possible.
958 bool WidenIV::WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
959   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
960   if (!Cmp)
961     return false;
962
963   // Sign of IV user and compare must match.
964   if (IsSigned != CmpInst::isSigned(Cmp->getPredicate()))
965     return false;
966
967   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
968   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
969   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
970   assert (CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
971
972   // Widen the compare instruction.
973   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
974   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
975
976   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
977   if (CastWidth < IVWidth) {
978     Value *ExtOp = getExtend(Op, WideType, IsSigned, Cmp);
979     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
980   }
981   return true;
982 }
983
984 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
985 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
986 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
987
988   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
989   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
990     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
991       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
992       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
993       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
994       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
995         truncateIVUse(DU, DT);
996       else {
997         PHINode *WidePhi =
998           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
999                           UsePhi);
1000         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
1001         IRBuilder<> Builder(WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
1002         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
1003         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
1004         DeadInsts.push_back(UsePhi);
1005         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
1006               << " to " << *WidePhi << "\n");
1007       }
1008       return nullptr;
1009     }
1010   }
1011   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1012   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1013     Value *NewDef = DU.WideDef;
1014     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1015       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1016       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1017       if (CastWidth < IVWidth) {
1018         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1019         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1020         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1021       }
1022       else {
1023         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1024         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1025         // dead. It should be very rare.
1026         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1027               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1028         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1029         NewDef = DU.NarrowUse;
1030       }
1031     }
1032     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1033       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1034             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1035       ++NumElimExt;
1036       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1037       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
1038     }
1039     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1040     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1041     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1042     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1043     // push the uses of WideDef here.
1044
1045     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1046     return nullptr;
1047   }
1048
1049   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1050   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1051   if (!WideAddRec)
1052     WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1053
1054   if (!WideAddRec) {
1055     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1056     // truncating the IV first.
1057     if (WidenLoopCompare(DU))
1058       return nullptr;
1059
1060     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1061     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1062     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1063     truncateIVUse(DU, DT);
1064     return nullptr;
1065   }
1066   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1067   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1068   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1069          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1070
1071   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1072   // NarrowUse.
1073   Instruction *WideUse = nullptr;
1074   if (WideAddRec == WideIncExpr
1075       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1076     WideUse = WideInc;
1077   else {
1078     WideUse = CloneIVUser(DU);
1079     if (!WideUse)
1080       return nullptr;
1081   }
1082   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1083   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1084   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1085   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1086   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1087   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1088     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1089           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1090     DeadInsts.push_back(WideUse);
1091     return nullptr;
1092   }
1093
1094   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1095   return WideUse;
1096 }
1097
1098 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1099 ///
1100 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1101   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1102     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1103
1104     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1105     if (!Widened.insert(NarrowUser).second)
1106       continue;
1107
1108     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUser, WideDef));
1109   }
1110 }
1111
1112 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1113 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1114 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1115 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1116 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1117 /// DeleteDeadPHIs.
1118 ///
1119 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1120 /// invalidating SCEV expressions.
1121 ///
1122 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1123   // Is this phi an induction variable?
1124   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1125   if (!AddRec)
1126     return nullptr;
1127
1128   // Widen the induction variable expression.
1129   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1130     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1131     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1132
1133   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1134          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1135
1136   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1137   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1138   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1139     return nullptr;
1140
1141   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1142   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1143   // operands, so they must dominate the loop header.
1144   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1145          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1146          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1147
1148   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1149   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1150   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1151   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1152   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1153   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1154
1155   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1156   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1157   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1158   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1159   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1160     WideInc =
1161       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1162     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1163   }
1164
1165   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1166   ++NumWidened;
1167
1168   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1169   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1170
1171   Widened.insert(OrigPhi);
1172   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1173
1174   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1175     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1176
1177     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1178     // use_iterator across it.
1179     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1180
1181     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1182     if (WideUse)
1183       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1184
1185     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1186     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1187       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1188   }
1189   return WidePhi;
1190 }
1191
1192 //===----------------------------------------------------------------------===//
1193 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1194 //===----------------------------------------------------------------------===//
1195
1196
1197 //===----------------------------------------------------------------------===//
1198 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1199 //===----------------------------------------------------------------------===//
1200
1201 namespace {
1202   class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1203     ScalarEvolution *SE;
1204     const DataLayout *DL;
1205     const TargetTransformInfo *TTI;
1206     PHINode *IVPhi;
1207
1208   public:
1209     WideIVInfo WI;
1210
1211     IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1212                           const DataLayout *DL, const TargetTransformInfo *TTI,
1213                           const DominatorTree *DTree)
1214         : SE(SCEV), DL(DL), TTI(TTI), IVPhi(IV) {
1215       DT = DTree;
1216       WI.NarrowIV = IVPhi;
1217       if (ReduceLiveIVs)
1218         setSplitOverflowIntrinsics();
1219     }
1220
1221     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1222     void visitCast(CastInst *Cast) override {
1223       visitIVCast(Cast, WI, SE, DL, TTI);
1224     }
1225   };
1226 }
1227
1228 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1229 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1230 /// themselves be candidates for simplification.
1231 ///
1232 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1233 ///
1234 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1235                                        SCEVExpander &Rewriter,
1236                                        LPPassManager &LPM) {
1237   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1238
1239   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1240   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1241     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1242   }
1243   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1244   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1245   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1246   // simplification on the wide IVs.
1247   while (!LoopPhis.empty()) {
1248     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1249     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1250     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1251     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1252     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1253     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1254     do {
1255       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1256
1257       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1258       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, DL, TTI, DT);
1259
1260       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &Visitor);
1261
1262       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1263         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1264       }
1265     } while(!LoopPhis.empty());
1266
1267     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1268       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1269       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1270         Changed = true;
1271         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1272       }
1273     }
1274   }
1275 }
1276
1277 //===----------------------------------------------------------------------===//
1278 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1279 //===----------------------------------------------------------------------===//
1280
1281 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1282 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1283 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1284 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1285                                 SmallPtrSetImpl<const SCEV*> &Processed,
1286                                 ScalarEvolution *SE) {
1287   if (!Processed.insert(S).second)
1288     return false;
1289
1290   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1291   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1292   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1293   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1294   // forego rewriting the loop.
1295   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1296     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1297     if (!OrigCond) return true;
1298     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1299     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1300     if (R != S) {
1301       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1302       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1303       if (L != S)
1304         return true;
1305     }
1306   }
1307
1308   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1309   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1310   // they are not too expensive rematerialize.
1311   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1312     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1313          I != E; ++I) {
1314       if (isHighCostExpansion(*I, BI, Processed, SE))
1315         return true;
1316     }
1317     return false;
1318   }
1319
1320   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1321   // the exit condition.
1322   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1323     return true;
1324
1325   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1326   // expression produced by program code.
1327   return false;
1328 }
1329
1330 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1331 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1332 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1333 ///
1334 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1335 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1336 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1337 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1338 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1339 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1340 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1341 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1342 /// into inequality tests.
1343 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1344   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1345   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1346       BackedgeTakenCount->isZero())
1347     return false;
1348
1349   if (!L->getExitingBlock())
1350     return false;
1351
1352   // Can't rewrite non-branch yet.
1353   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1354   if (!BI)
1355     return false;
1356
1357   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
1358   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, Processed, SE))
1359     return false;
1360
1361   return true;
1362 }
1363
1364 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1365 /// invariant value to the phi.
1366 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1367   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1368   if (!IncI)
1369     return nullptr;
1370
1371   switch (IncI->getOpcode()) {
1372   case Instruction::Add:
1373   case Instruction::Sub:
1374     break;
1375   case Instruction::GetElementPtr:
1376     // An IV counter must preserve its type.
1377     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1378       break;
1379   default:
1380     return nullptr;
1381   }
1382
1383   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1384   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1385     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1386       return Phi;
1387     return nullptr;
1388   }
1389   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1390     return nullptr;
1391
1392   // Allow add/sub to be commuted.
1393   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1394   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1395     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1396       return Phi;
1397   }
1398   return nullptr;
1399 }
1400
1401 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1402 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1403   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1404
1405   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1406   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1407   if (!LatchBlock)
1408     return nullptr;
1409
1410   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1411   assert(BI && "expected exit branch");
1412
1413   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1414 }
1415
1416 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1417 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1418 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1419   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1420   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1421   if (!Cond)
1422     return true;
1423
1424   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1425   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1426   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1427     return true;
1428
1429   // Look for a loop invariant RHS
1430   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1431   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1432   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1433     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1434       return true;
1435     std::swap(LHS, RHS);
1436   }
1437   // Look for a simple IV counter LHS
1438   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1439   if (!Phi)
1440     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1441
1442   if (!Phi)
1443     return true;
1444
1445   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1446   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1447   if (Idx < 0)
1448     return true;
1449
1450   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1451   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1452   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1453 }
1454
1455 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1456 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1457 /// that may hide undef.
1458 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1459                                unsigned Depth) {
1460   if (isa<Constant>(V))
1461     return !isa<UndefValue>(V);
1462
1463   if (Depth >= 6)
1464     return false;
1465
1466   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1467   // may be undef.
1468   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1469   if (!I)
1470     return false;
1471
1472   // Load and return values may be undef.
1473   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1474     return false;
1475
1476   // Optimistically handle other instructions.
1477   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1478     if (!Visited.insert(*OI).second)
1479       continue;
1480     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1481       return false;
1482   }
1483   return true;
1484 }
1485
1486 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1487 /// never reach it.
1488 ///
1489 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1490 /// may factor it into a common location.
1491 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1492   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1493   Visited.insert(V);
1494   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1495 }
1496
1497 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1498 /// be rewritten) loop exit test.
1499 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1500   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1501   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1502
1503   for (User *U : Phi->users())
1504     if (U != Cond && U != IncV) return false;
1505
1506   for (User *U : IncV->users())
1507     if (U != Cond && U != Phi) return false;
1508   return true;
1509 }
1510
1511 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1512 ///
1513 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1514 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1515 /// expression as far as SCEV is concerned.
1516 ///
1517 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1518 ///
1519 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1520 ///
1521 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1522 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1523 /// could at least handle constant BECounts.
1524 static PHINode *
1525 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1526                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const DataLayout *DL) {
1527   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1528
1529   Value *Cond =
1530     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1531
1532   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1533   PHINode *BestPhi = nullptr;
1534   const SCEV *BestInit = nullptr;
1535   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1536   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1537
1538   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1539     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1540     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1541       continue;
1542
1543     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1544     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1545       continue;
1546
1547     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1548     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1549       continue;
1550
1551     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1552     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1553     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1554     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1555     if (PhiWidth < BCWidth || (DL && !DL->isLegalInteger(PhiWidth)))
1556       continue;
1557
1558     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1559     if (!Step || !Step->isOne())
1560       continue;
1561
1562     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1563     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1564     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1565       continue;
1566
1567     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1568     // have originally had a concrete definition.
1569     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1570       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1571       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1572       // increase the number of undef users.
1573       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1574         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1575             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1576           continue;
1577         }
1578       }
1579     }
1580     const SCEV *Init = AR->getStart();
1581
1582     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1583       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1584       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1585         continue;
1586
1587       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1588       // also prefers integer to pointer IVs.
1589       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1590         if (BestInit->isZero())
1591           continue;
1592       }
1593       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1594       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1595       // to allow the other to be eliminated.
1596       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1597         continue;
1598     }
1599     BestPhi = Phi;
1600     BestInit = Init;
1601   }
1602   return BestPhi;
1603 }
1604
1605 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1606 /// holds the RHS of the new loop test.
1607 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1608                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1609   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1610   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1611   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1612
1613   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1614   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1615   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1616   // the existing GEPs whenever possible.
1617   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1618       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1619
1620     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1621     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1622     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1623     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1624     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1625     // extend IVCount.
1626     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1627     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1628
1629     // Expand the code for the iteration count.
1630     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1631            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1632     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1633     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1634
1635     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1636     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1637     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1638     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1639     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1640              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1641            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1642
1643     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1644     return Builder.CreateGEP(GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1645   }
1646   else {
1647     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1648     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1649     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1650     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1651     //
1652     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1653     // for simple memset-style loops.
1654     //
1655     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1656     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1657
1658     const SCEV *IVLimit = nullptr;
1659     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1660     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1661     if (AR->getStart()->isZero())
1662       IVLimit = IVCount;
1663     else {
1664       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1665       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1666
1667       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1668       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1669           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1670         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1671
1672       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1673     }
1674     // Expand the code for the iteration count.
1675     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1676     IRBuilder<> Builder(BI);
1677     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1678            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1679     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1680     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1681     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1682     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1683       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1684     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1685   }
1686 }
1687
1688 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1689 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1690 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1691 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1692 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1693 Value *IndVarSimplify::
1694 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1695                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1696                           PHINode *IndVar,
1697                           SCEVExpander &Rewriter) {
1698   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1699
1700   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1701   Value *CmpIndVar = IndVar;
1702   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1703
1704   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1705   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1706   // against the preincremented value.
1707   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1708     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1709     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1710     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1711     llvm::Value *IncrementedIndvar =
1712         IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1713     const auto *IncrementedIndvarSCEV =
1714         cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IncrementedIndvar));
1715     // It is unsafe to use the incremented indvar if it has a wrapping flag, we
1716     // don't want to compare against a poison value.  Check the SCEV that
1717     // corresponds to the incremented indvar, the SCEVExpander will only insert
1718     // flags in the IR if the SCEV originally had wrapping flags.
1719     // FIXME: In theory, SCEV could drop flags even though they exist in IR.
1720     // A more robust solution would involve getting a new expression for
1721     // CmpIndVar by applying non-NSW/NUW AddExprs.
1722     auto WrappingFlags =
1723         ScalarEvolution::setFlags(SCEV::FlagNUW, SCEV::FlagNSW);
1724     const SCEV *IVInit = IncrementedIndvarSCEV->getStart();
1725     if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType()) >
1726         SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1727       IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1728     unsigned BitWidth = SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType());
1729     Type *WideTy = IntegerType::get(SE->getContext(), BitWidth + 1);
1730     // Check if InitIV + BECount+1 requires sign/zero extension.
1731     // If not, clear the corresponding flag from WrappingFlags because it is not
1732     // necessary for those flags in the IncrementedIndvarSCEV expression.
1733     if (SE->getSignExtendExpr(SE->getAddExpr(IVInit, BackedgeTakenCount),
1734                               WideTy) ==
1735         SE->getAddExpr(SE->getSignExtendExpr(IVInit, WideTy),
1736                        SE->getSignExtendExpr(BackedgeTakenCount, WideTy)))
1737       WrappingFlags = ScalarEvolution::clearFlags(WrappingFlags, SCEV::FlagNSW);
1738     if (SE->getZeroExtendExpr(SE->getAddExpr(IVInit, BackedgeTakenCount),
1739                               WideTy) ==
1740         SE->getAddExpr(SE->getZeroExtendExpr(IVInit, WideTy),
1741                        SE->getZeroExtendExpr(BackedgeTakenCount, WideTy)))
1742       WrappingFlags = ScalarEvolution::clearFlags(WrappingFlags, SCEV::FlagNUW);
1743     if (!ScalarEvolution::maskFlags(IncrementedIndvarSCEV->getNoWrapFlags(),
1744                                     WrappingFlags)) {
1745       // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1746       // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1747       // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1748       IVCount =
1749           SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1750                          SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
1751       CmpIndVar = IncrementedIndvar;
1752     }
1753   }
1754
1755   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1756   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1757          && "genLoopLimit missed a cast");
1758
1759   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1760   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1761   ICmpInst::Predicate P;
1762   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1763     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1764   else
1765     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1766
1767   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1768                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1769                << "       op:\t"
1770                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1771                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1772                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1773
1774   IRBuilder<> Builder(BI);
1775
1776   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1777   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1778   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1779   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1780   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1781     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1782     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1783     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1784     // For constant IVCount, avoid truncation.
1785     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1786       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1787       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1788       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1789       // above such that IVCount is now zero.
1790       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1791         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1792         ++Count;
1793       }
1794       else
1795         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1796       APInt NewLimit;
1797       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1798         NewLimit = Start - Count;
1799       else
1800         NewLimit = Start + Count;
1801       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1802
1803       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1804     } else {
1805       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1806                                       "lftr.wideiv");
1807     }
1808   }
1809   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1810   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1811   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1812   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1813   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1814   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1815   // will make old comparison dead.
1816   BI->setCondition(Cond);
1817   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1818
1819   ++NumLFTR;
1820   Changed = true;
1821   return Cond;
1822 }
1823
1824 //===----------------------------------------------------------------------===//
1825 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1826 //===----------------------------------------------------------------------===//
1827
1828 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1829 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1830 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1831 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1832   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1833   if (!ExitBlock) return;
1834
1835   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1836   if (!Preheader) return;
1837
1838   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1839   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1840   while (I != Preheader->begin()) {
1841     --I;
1842     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1843     if (isa<PHINode>(I))
1844       break;
1845
1846     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1847     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1848     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1849     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1850     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1851     // block.
1852     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1853       continue;
1854
1855     // Skip debug info intrinsics.
1856     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1857       continue;
1858
1859     // Skip landingpad instructions.
1860     if (isa<LandingPadInst>(I))
1861       continue;
1862
1863     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1864     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1865     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1866     // FIXME: Refactor this check somehow?
1867     if (isa<AllocaInst>(I))
1868       continue;
1869
1870     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1871     // otherwise).
1872     bool UsedInLoop = false;
1873     for (Use &U : I->uses()) {
1874       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
1875       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
1876       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
1877         unsigned i =
1878           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
1879         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1880       }
1881       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1882         UsedInLoop = true;
1883         break;
1884       }
1885     }
1886
1887     // If there is, the def must remain in the preheader.
1888     if (UsedInLoop)
1889       continue;
1890
1891     // Otherwise, sink it to the exit block.
1892     Instruction *ToMove = I;
1893     bool Done = false;
1894
1895     if (I != Preheader->begin()) {
1896       // Skip debug info intrinsics.
1897       do {
1898         --I;
1899       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1900
1901       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1902         Done = true;
1903     } else {
1904       Done = true;
1905     }
1906
1907     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1908     if (Done) break;
1909     InsertPt = ToMove;
1910   }
1911 }
1912
1913 //===----------------------------------------------------------------------===//
1914 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1915 //===----------------------------------------------------------------------===//
1916
1917 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1918   if (skipOptnoneFunction(L))
1919     return false;
1920
1921   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1922   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1923   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1924   //    afterwards.
1925   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1926   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1927   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1928   //    we've manually inserted one.
1929   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1930     return false;
1931
1932   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1933   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1934   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1935   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
1936   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
1937   auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1938   TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
1939   TTI = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfo>();
1940
1941   DeadInsts.clear();
1942   Changed = false;
1943
1944   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1945   // transform them to use integer recurrences.
1946   RewriteNonIntegerIVs(L);
1947
1948   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1949
1950   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1951   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1952 #ifndef NDEBUG
1953   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1954 #endif
1955
1956   // Eliminate redundant IV users.
1957   //
1958   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1959   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1960   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1961   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1962   Rewriter.disableCanonicalMode();
1963   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1964
1965   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1966   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1967   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1968   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1969   // the current expressions.
1970   //
1971   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1972     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1973
1974   // Eliminate redundant IV cycles.
1975   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
1976
1977   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1978   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1979   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && needsLFTR(L, DT)) {
1980     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, DL);
1981     if (IndVar) {
1982       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1983       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1984       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1985       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
1986       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1987       //
1988       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1989       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1990       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1991       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1992         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
1993                                         Rewriter);
1994     }
1995   }
1996   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1997   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1998   // trigger.
1999   Rewriter.clear();
2000
2001   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
2002   // which are now dead.
2003   while (!DeadInsts.empty())
2004     if (Instruction *Inst =
2005           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
2006       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
2007
2008   // The Rewriter may not be used from this point on.
2009
2010   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
2011   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
2012   SinkUnusedInvariants(L);
2013
2014   // Clean up dead instructions.
2015   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
2016   // Check a post-condition.
2017   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
2018          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
2019
2020   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
2021   // ability to compute trip count.
2022 #ifndef NDEBUG
2023   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
2024     SE->forgetLoop(L);
2025     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2026     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2027         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2028       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2029                                          BackedgeTakenCount->getType());
2030     else
2031       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2032                                                  NewBECount->getType());
2033     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2034   }
2035 #endif
2036
2037   return Changed;
2038 }