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[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 // This transformation makes the following changes to each loop with an
15 // identifiable induction variable:
16 //   1. All loops are transformed to have a SINGLE canonical induction variable
17 //      which starts at zero and steps by one.
18 //   2. The canonical induction variable is guaranteed to be the first PHI node
19 //      in the loop header block.
20 //   3. The canonical induction variable is guaranteed to be in a wide enough
21 //      type so that IV expressions need not be (directly) zero-extended or
22 //      sign-extended.
23 //   4. Any pointer arithmetic recurrences are raised to use array subscripts.
24 //
25 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
26 // changes:
27 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
28 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
29 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
30 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
31 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
32 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
33 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
34 //      expression, this transformation will make the loop dead.
35 //
36 // This transformation should be followed by strength reduction after all of the
37 // desired loop transformations have been performed.
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40
41 #define DEBUG_TYPE "indvars"
42 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
43 #include "llvm/BasicBlock.h"
44 #include "llvm/Constants.h"
45 #include "llvm/Instructions.h"
46 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/LLVMContext.h"
48 #include "llvm/Type.h"
49 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
50 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
52 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
53 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
54 #include "llvm/Support/CFG.h"
55 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
56 #include "llvm/Support/Debug.h"
57 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
60 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
61 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
62 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
63 using namespace llvm;
64
65 STATISTIC(NumRemoved , "Number of aux indvars removed");
66 STATISTIC(NumInserted, "Number of canonical indvars added");
67 STATISTIC(NumReplaced, "Number of exit values replaced");
68 STATISTIC(NumLFTR    , "Number of loop exit tests replaced");
69
70 namespace {
71   class IndVarSimplify : public LoopPass {
72     IVUsers         *IU;
73     LoopInfo        *LI;
74     ScalarEvolution *SE;
75     DominatorTree   *DT;
76     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
77     bool Changed;
78   public:
79
80     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
81     IndVarSimplify() : LoopPass(ID) {
82       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
83     }
84
85     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
86
87     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
88       AU.addRequired<DominatorTree>();
89       AU.addRequired<LoopInfo>();
90       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
91       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
92       AU.addRequiredID(LCSSAID);
93       AU.addRequired<IVUsers>();
94       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
95       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
96       AU.addPreservedID(LCSSAID);
97       AU.addPreserved<IVUsers>();
98       AU.setPreservesCFG();
99     }
100
101   private:
102     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
103
104     void EliminateIVComparisons();
105     void EliminateIVRemainders();
106     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
107
108     ICmpInst *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
109                                    PHINode *IndVar,
110                                    BasicBlock *ExitingBlock,
111                                    BranchInst *BI,
112                                    SCEVExpander &Rewriter);
113     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
114
115     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
116
117     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
118
119     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
120   };
121 }
122
123 char IndVarSimplify::ID = 0;
124 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
125                 "Canonicalize Induction Variables", false, false)
126 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
127 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
128 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
129 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
130 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
131 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
132 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
133                 "Canonicalize Induction Variables", false, false)
134
135 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
136   return new IndVarSimplify();
137 }
138
139 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
140 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
141 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
142 /// Ideally, this function will only be called for verification.
143 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
144   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
145   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
146   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
147   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
148   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
149   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
150   // bail out here.
151   //
152   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
153   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
154   Value *FromPtr = FromVal;
155   Value *ToPtr = ToVal;
156   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
157     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
158   }
159   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
160     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
161   }
162   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
163     // Quickly check the common case
164     if (FromPtr == ToPtr)
165       return true;
166
167     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
168     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
169     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
170     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
171     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
172     // indexed by an integer recurrence.
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 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
187 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
188 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
189 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
190 /// is actually a much broader range than just linear tests.
191 ICmpInst *IndVarSimplify::LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
192                                    const SCEV *BackedgeTakenCount,
193                                    PHINode *IndVar,
194                                    BasicBlock *ExitingBlock,
195                                    BranchInst *BI,
196                                    SCEVExpander &Rewriter) {
197   // Special case: If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a
198   // UDiv that ScalarEvolution produced in order to compute a precise
199   // expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't find a
200   // UDiv in the code with some simple searching, assume the former and forego
201   // rewriting the loop.
202   if (isa<SCEVUDivExpr>(BackedgeTakenCount)) {
203     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
204     if (!OrigCond) return 0;
205     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
206     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
207     if (R != BackedgeTakenCount) {
208       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
209       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
210       if (L != BackedgeTakenCount)
211         return 0;
212     }
213   }
214
215   // If the exiting block is not the same as the backedge block, we must compare
216   // against the preincremented value, otherwise we prefer to compare against
217   // the post-incremented value.
218   Value *CmpIndVar;
219   const SCEV *RHS = BackedgeTakenCount;
220   if (ExitingBlock == L->getLoopLatch()) {
221     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
222     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
223     // cast the induction variable before doing the add.
224     const SCEV *Zero = SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 0);
225     const SCEV *N =
226       SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
227                      SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
228     if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
229         SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
230       // No overflow. Cast the sum.
231       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, IndVar->getType());
232     } else {
233       // Potential overflow. Cast before doing the add.
234       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
235                                         IndVar->getType());
236       RHS = SE->getAddExpr(RHS,
237                            SE->getConstant(IndVar->getType(), 1));
238     }
239
240     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
241     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
242     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
243     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(ExitingBlock);
244   } else {
245     // We have to use the preincremented value...
246     RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
247                                       IndVar->getType());
248     CmpIndVar = IndVar;
249   }
250
251   // Expand the code for the iteration count.
252   assert(SE->isLoopInvariant(RHS, L) &&
253          "Computed iteration count is not loop invariant!");
254   Value *ExitCnt = Rewriter.expandCodeFor(RHS, IndVar->getType(), BI);
255
256   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
257   ICmpInst::Predicate Opcode;
258   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
259     Opcode = ICmpInst::ICMP_NE;
260   else
261     Opcode = ICmpInst::ICMP_EQ;
262
263   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
264                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
265                << "       op:\t"
266                << (Opcode == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
267                << "      RHS:\t" << *RHS << "\n");
268
269   ICmpInst *Cond = new ICmpInst(BI, Opcode, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
270
271   Value *OrigCond = BI->getCondition();
272   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
273   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
274   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
275   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
276   // will make old comparison dead.
277   BI->setCondition(Cond);
278   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(OrigCond);
279
280   ++NumLFTR;
281   Changed = true;
282   return Cond;
283 }
284
285 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
286 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
287 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
288 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
289 /// the loop that use the final values of the current expressions.
290 ///
291 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
292 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
293 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
294 /// constant operands at the beginning of the loop.
295 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
296   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
297   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
298
299   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
300   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
301
302   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
303   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
304   // the exit blocks of the loop to find them.
305   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
306     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
307
308     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
309     // inside the loop are used on this path, skip it.
310     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
311     if (!PN) continue;
312
313     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
314
315     // Iterate over all of the PHI nodes.
316     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
317     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
318       if (PN->use_empty())
319         continue; // dead use, don't replace it
320
321       // SCEV only supports integer expressions for now.
322       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
323         continue;
324
325       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
326       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
327       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
328       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
329       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
330       SE->forgetValue(PN);
331
332       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
333       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
334         // If the value being merged in is not integer or is not defined
335         // in the loop, skip it.
336         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
337         if (!isa<Instruction>(InVal))
338           continue;
339
340         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
341         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
342           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
343
344         // Check that InVal is defined in the loop.
345         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
346         if (!L->contains(Inst))
347           continue;
348
349         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
350         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
351         // contains when the loop exits, if possible.
352         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
353         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L))
354           continue;
355
356         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
357
358         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
359                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
360
361         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
362           DeadInsts.push_back(ExitVal);
363           continue;
364         }
365         Changed = true;
366         ++NumReplaced;
367
368         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
369
370         // If this instruction is dead now, delete it.
371         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
372
373         if (NumPreds == 1) {
374           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
375           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
376           // node anymore.
377           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
378           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
379         }
380       }
381       if (NumPreds != 1) {
382         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
383         // any other maps purge the original user from their records.
384         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
385         NewPN->takeName(PN);
386         NewPN->insertBefore(PN);
387         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
388         PN->eraseFromParent();
389       }
390     }
391   }
392
393   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
394   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
395   Rewriter.clearInsertPoint();
396 }
397
398 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
399   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
400   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
401   // the SCEV routines.
402   //
403   BasicBlock *Header = L->getHeader();
404
405   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
406   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
407        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
408     PHIs.push_back(PN);
409
410   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
411     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
412       HandleFloatingPointIV(L, PN);
413
414   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
415   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
416   // re-writing, the trip count may be computable.
417   if (Changed)
418     SE->forgetLoop(L);
419 }
420
421 void IndVarSimplify::EliminateIVComparisons() {
422   // Look for ICmp users.
423   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
424     IVStrideUse &UI = *I;
425     ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UI.getUser());
426     if (!ICmp) continue;
427
428     bool Swapped = UI.getOperandValToReplace() == ICmp->getOperand(1);
429     ICmpInst::Predicate Pred = ICmp->getPredicate();
430     if (Swapped) Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
431
432     // Get the SCEVs for the ICmp operands.
433     const SCEV *S = IU->getReplacementExpr(UI);
434     const SCEV *X = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(!Swapped));
435
436     // Simplify unnecessary loops away.
437     const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(ICmp->getParent());
438     S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
439     X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
440
441     // If the condition is always true or always false, replace it with
442     // a constant value.
443     if (SE->isKnownPredicate(Pred, S, X))
444       ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getTrue(ICmp->getContext()));
445     else if (SE->isKnownPredicate(ICmpInst::getInversePredicate(Pred), S, X))
446       ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getFalse(ICmp->getContext()));
447     else
448       continue;
449
450     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated comparison: " << *ICmp << '\n');
451     DeadInsts.push_back(ICmp);
452   }
453 }
454
455 void IndVarSimplify::EliminateIVRemainders() {
456   // Look for SRem and URem users.
457   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
458     IVStrideUse &UI = *I;
459     BinaryOperator *Rem = dyn_cast<BinaryOperator>(UI.getUser());
460     if (!Rem) continue;
461
462     bool isSigned = Rem->getOpcode() == Instruction::SRem;
463     if (!isSigned && Rem->getOpcode() != Instruction::URem)
464       continue;
465
466     // We're only interested in the case where we know something about
467     // the numerator.
468     if (UI.getOperandValToReplace() != Rem->getOperand(0))
469       continue;
470
471     // Get the SCEVs for the ICmp operands.
472     const SCEV *S = SE->getSCEV(Rem->getOperand(0));
473     const SCEV *X = SE->getSCEV(Rem->getOperand(1));
474
475     // Simplify unnecessary loops away.
476     const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(Rem->getParent());
477     S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
478     X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
479
480     // i % n  -->  i  if i is in [0,n).
481     if ((!isSigned || SE->isKnownNonNegative(S)) &&
482         SE->isKnownPredicate(isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
483                              S, X))
484       Rem->replaceAllUsesWith(Rem->getOperand(0));
485     else {
486       // (i+1) % n  -->  (i+1)==n?0:(i+1)  if i is in [0,n).
487       const SCEV *LessOne =
488         SE->getMinusSCEV(S, SE->getConstant(S->getType(), 1));
489       if ((!isSigned || SE->isKnownNonNegative(LessOne)) &&
490           SE->isKnownPredicate(isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
491                                LessOne, X)) {
492         ICmpInst *ICmp = new ICmpInst(Rem, ICmpInst::ICMP_EQ,
493                                       Rem->getOperand(0), Rem->getOperand(1),
494                                       "tmp");
495         SelectInst *Sel =
496           SelectInst::Create(ICmp,
497                              ConstantInt::get(Rem->getType(), 0),
498                              Rem->getOperand(0), "tmp", Rem);
499         Rem->replaceAllUsesWith(Sel);
500       } else
501         continue;
502     }
503
504     // Inform IVUsers about the new users.
505     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Rem->getOperand(0)))
506       IU->AddUsersIfInteresting(I);
507
508     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Simplified rem: " << *Rem << '\n');
509     DeadInsts.push_back(Rem);
510   }
511 }
512
513 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
514   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
515   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
516   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
517   //    afterwards.
518   //  - We depend on having a preheader; in particular,
519   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
520   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
521   //    we've manually inserted one.
522   if (!L->isLoopSimplifyForm())
523     return false;
524
525   IU = &getAnalysis<IVUsers>();
526   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
527   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
528   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
529   DeadInsts.clear();
530   Changed = false;
531
532   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
533   // transform them to use integer recurrences.
534   RewriteNonIntegerIVs(L);
535
536   BasicBlock *ExitingBlock = L->getExitingBlock(); // may be null
537   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
538
539   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
540   SCEVExpander Rewriter(*SE);
541
542   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
543   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
544   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
545   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
546   // the current expressions.
547   //
548   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
549     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
550
551   // Simplify ICmp IV users.
552   EliminateIVComparisons();
553
554   // Simplify SRem and URem IV users.
555   EliminateIVRemainders();
556
557   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
558   // a canonical induction variable should be inserted.
559   const Type *LargestType = 0;
560   bool NeedCannIV = false;
561   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
562     LargestType = BackedgeTakenCount->getType();
563     LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(LargestType);
564     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
565     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
566     // canonical induction variable.
567     if (ExitingBlock)
568       NeedCannIV = true;
569   }
570   for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
571     const Type *Ty =
572       SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
573     if (!LargestType ||
574         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
575           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
576       LargestType = Ty;
577     NeedCannIV = true;
578   }
579
580   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
581   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
582   PHINode *IndVar = 0;
583   if (NeedCannIV) {
584     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
585     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
586     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
587     // doesn't attempt to reuse them.
588     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
589     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
590       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
591           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
592         OldCannIV->removeFromParent();
593       else
594         break;
595       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
596     }
597
598     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
599
600     ++NumInserted;
601     Changed = true;
602     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
603
604     // Now that the official induction variable is established, reinsert
605     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
606     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
607     // the end of the pass.
608     while (!OldCannIVs.empty()) {
609       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
610       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstNonPHI());
611     }
612   }
613
614   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
615   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
616   ICmpInst *NewICmp = 0;
617   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) &&
618       !BackedgeTakenCount->isZero() &&
619       ExitingBlock) {
620     assert(NeedCannIV &&
621            "LinearFunctionTestReplace requires a canonical induction variable");
622     // Can't rewrite non-branch yet.
623     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator()))
624       NewICmp = LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
625                                           ExitingBlock, BI, Rewriter);
626   }
627
628   // Rewrite IV-derived expressions.
629   RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
630
631   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
632   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
633   // trigger.
634   Rewriter.clear();
635
636   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
637   // which are now dead.
638   while (!DeadInsts.empty())
639     if (Instruction *Inst =
640           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
641       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
642
643   // The Rewriter may not be used from this point on.
644
645   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
646   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
647   SinkUnusedInvariants(L);
648
649   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
650   // loop exit test instruction.
651   if (NewICmp)
652     IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmp->getOperand(0)));
653
654   // Clean up dead instructions.
655   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
656   // Check a post-condition.
657   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
658   return Changed;
659 }
660
661 // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
662 // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
663 // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
664 // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
665 // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
666 // it can be expanded to a trivial value.
667 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
668   // Loop-invariant values are safe.
669   if (SE->isLoopInvariant(S, L)) return true;
670
671   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
672   // to transform them into efficient code.
673   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
674     return AR->isAffine();
675
676   // An add is safe it all its operands are safe.
677   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
678     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
679          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
680       if (!isSafe(*I, L, SE)) return false;
681     return true;
682   }
683
684   // A cast is safe if its operand is.
685   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
686     return isSafe(C->getOperand(), L, SE);
687
688   // A udiv is safe if its operands are.
689   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
690     return isSafe(UD->getLHS(), L, SE) &&
691            isSafe(UD->getRHS(), L, SE);
692
693   // SCEVUnknown is always safe.
694   if (isa<SCEVUnknown>(S))
695     return true;
696
697   // Nothing else is safe.
698   return false;
699 }
700
701 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
702   // Rewrite all induction variable expressions in terms of the canonical
703   // induction variable.
704   //
705   // If there were induction variables of other sizes or offsets, manually
706   // add the offsets to the primary induction variable and cast, avoiding
707   // the need for the code evaluation methods to insert induction variables
708   // of different sizes.
709   for (IVUsers::iterator UI = IU->begin(), E = IU->end(); UI != E; ++UI) {
710     Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
711     const Type *UseTy = Op->getType();
712     Instruction *User = UI->getUser();
713
714     // Compute the final addrec to expand into code.
715     const SCEV *AR = IU->getReplacementExpr(*UI);
716
717     // Evaluate the expression out of the loop, if possible.
718     if (!L->contains(UI->getUser())) {
719       const SCEV *ExitVal = SE->getSCEVAtScope(AR, L->getParentLoop());
720       if (SE->isLoopInvariant(ExitVal, L))
721         AR = ExitVal;
722     }
723
724     // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
725     // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
726     // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
727     // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
728     // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
729     // it can be expanded to a trivial value.
730     if (!isSafe(AR, L, SE))
731       continue;
732
733     // Determine the insertion point for this user. By default, insert
734     // immediately before the user. The SCEVExpander class will automatically
735     // hoist loop invariants out of the loop. For PHI nodes, there may be
736     // multiple uses, so compute the nearest common dominator for the
737     // incoming blocks.
738     Instruction *InsertPt = User;
739     if (PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(InsertPt))
740       for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
741         if (PHI->getIncomingValue(i) == Op) {
742           if (InsertPt == User)
743             InsertPt = PHI->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
744           else
745             InsertPt =
746               DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(),
747                                              PHI->getIncomingBlock(i))
748                     ->getTerminator();
749         }
750
751     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
752     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
753
754     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
755                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
756
757     if (!isValidRewrite(Op, NewVal)) {
758       DeadInsts.push_back(NewVal);
759       continue;
760     }
761     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
762     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
763     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
764     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
765     // deleted.
766     SE->forgetValue(User);
767
768     // Patch the new value into place.
769     if (Op->hasName())
770       NewVal->takeName(Op);
771     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
772     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
773
774     ++NumRemoved;
775     Changed = true;
776
777     // The old value may be dead now.
778     DeadInsts.push_back(Op);
779   }
780 }
781
782 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
783 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
784 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
785 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
786   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
787   if (!ExitBlock) return;
788
789   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
790   if (!Preheader) return;
791
792   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
793   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
794   while (I != Preheader->begin()) {
795     --I;
796     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
797     if (isa<PHINode>(I))
798       break;
799
800     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
801     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
802     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
803     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
804     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
805     // block.
806     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
807       continue;
808
809     // Skip debug info intrinsics.
810     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
811       continue;
812
813     // Don't sink static AllocaInsts out of the entry block, which would
814     // turn them into dynamic allocas!
815     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
816       if (AI->isStaticAlloca())
817         continue;
818
819     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
820     // otherwise).
821     bool UsedInLoop = false;
822     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
823          UI != UE; ++UI) {
824       User *U = *UI;
825       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
826       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
827         unsigned i =
828           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
829         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
830       }
831       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
832         UsedInLoop = true;
833         break;
834       }
835     }
836
837     // If there is, the def must remain in the preheader.
838     if (UsedInLoop)
839       continue;
840
841     // Otherwise, sink it to the exit block.
842     Instruction *ToMove = I;
843     bool Done = false;
844
845     if (I != Preheader->begin()) {
846       // Skip debug info intrinsics.
847       do {
848         --I;
849       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
850
851       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
852         Done = true;
853     } else {
854       Done = true;
855     }
856
857     ToMove->moveBefore(InsertPt);
858     if (Done) break;
859     InsertPt = ToMove;
860   }
861 }
862
863 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
864 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
865   bool isExact = false;
866   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
867     return false;
868   // See if we can convert this to an int64_t
869   uint64_t UIntVal;
870   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
871                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
872     return false;
873   IntVal = UIntVal;
874   return true;
875 }
876
877 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
878 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
879 /// For example,
880 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
881 ///   bar(i)
882 /// is converted into
883 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
884 ///   bar((double)i);
885 ///
886 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
887   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
888   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
889
890   // Check incoming value.
891   ConstantFP *InitValueVal =
892     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
893
894   int64_t InitValue;
895   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
896     return;
897
898   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
899   // an add or increment value can not be represented by an integer.
900   BinaryOperator *Incr =
901     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
902   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
903
904   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
905   // is not an integer, bail out.
906   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
907   int64_t IncValue;
908   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
909       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
910     return;
911
912   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
913   // used by the conditional terminator.
914   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
915   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
916   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
917   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
918   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
919
920   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
921   // only used by a branch, we can't transform it.
922   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
923   if (!Compare)
924     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
925   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
926       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
927     return;
928
929   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
930
931   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
932   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
933   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
934   // of the loop.
935   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
936   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
937       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
938        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
939     return;
940
941
942   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
943   // transform it.
944   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
945   int64_t ExitValue;
946   if (ExitValueVal == 0 ||
947       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
948     return;
949
950   // Find new predicate for integer comparison.
951   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
952   switch (Compare->getPredicate()) {
953   default: return;  // Unknown comparison.
954   case CmpInst::FCMP_OEQ:
955   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
956   case CmpInst::FCMP_ONE:
957   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
958   case CmpInst::FCMP_OGT:
959   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
960   case CmpInst::FCMP_OGE:
961   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
962   case CmpInst::FCMP_OLT:
963   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
964   case CmpInst::FCMP_OLE:
965   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
966   }
967
968   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
969   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
970   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
971   // now.
972   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
973
974   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
975   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
976     return;
977
978   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
979   if (IncValue == 0)
980     return;
981
982   // Positive and negative strides have different safety conditions.
983   if (IncValue > 0) {
984     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
985     // exit value and an equality or less than comparison.
986     if (InitValue >= ExitValue ||
987         NewPred == CmpInst::ICMP_SGT || NewPred == CmpInst::ICMP_SGE)
988       return;
989
990     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
991     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE) {
992       // Normalize SLE -> SLT, check for infinite loop.
993       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
994     }
995
996     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
997
998     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
999     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
1000     // around and do things the fp IV wouldn't.
1001     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
1002         Leftover != 0)
1003       return;
1004
1005     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
1006     // transform the IV.
1007     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
1008       return;
1009
1010   } else {
1011     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
1012     // exit value and an equality or greater than comparison.
1013     if (InitValue >= ExitValue ||
1014         NewPred == CmpInst::ICMP_SLT || NewPred == CmpInst::ICMP_SLE)
1015       return;
1016
1017     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
1018     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE) {
1019       // Normalize SGE -> SGT, check for infinite loop.
1020       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
1021     }
1022
1023     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
1024
1025     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
1026     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
1027     // around and do things the fp IV wouldn't.
1028     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
1029         Leftover != 0)
1030       return;
1031
1032     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
1033     // transform the IV.
1034     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
1035       return;
1036   }
1037
1038   const IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
1039
1040   // Insert new integer induction variable.
1041   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, PN->getName()+".int", PN);
1042   NewPHI->reserveOperandSpace(2);
1043   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
1044                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
1045
1046   Value *NewAdd =
1047     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
1048                               Incr->getName()+".int", Incr);
1049   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
1050
1051   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
1052                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
1053                                       Compare->getName());
1054
1055   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
1056   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
1057   WeakVH WeakPH = PN;
1058
1059   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
1060   // new comparison.
1061   NewCompare->takeName(Compare);
1062   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
1063   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
1064
1065   // Delete the old floating point increment.
1066   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
1067   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
1068
1069   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
1070   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
1071   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
1072   // int->fp cast.
1073   //
1074   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
1075   // platforms.
1076   if (WeakPH) {
1077     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
1078                                  PN->getParent()->getFirstNonPHI());
1079     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
1080     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
1081   }
1082
1083   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
1084   IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI);
1085 }