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