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