Scalar: Remove some implicit ilist iterator conversions, NFC
[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/GlobalsModRef.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
33 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
34 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
35 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
36 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
37 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
38 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
39 #include "llvm/IR/CFG.h"
40 #include "llvm/IR/Constants.h"
41 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
42 #include "llvm/IR/Dominators.h"
43 #include "llvm/IR/Instructions.h"
44 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
45 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
46 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
47 #include "llvm/IR/Type.h"
48 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
49 #include "llvm/Support/Debug.h"
50 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
51 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
52 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
53 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
54 using namespace llvm;
55
56 #define DEBUG_TYPE "indvars"
57
58 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
59 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
60 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
61 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
62 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
63
64 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
65 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
66 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
67 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
68   "verify-indvars", cl::Hidden,
69   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
70
71 static cl::opt<bool> ReduceLiveIVs("liv-reduce", cl::Hidden,
72   cl::desc("Reduce live induction variables."));
73
74 enum ReplaceExitVal { NeverRepl, OnlyCheapRepl, AlwaysRepl };
75
76 static cl::opt<ReplaceExitVal> ReplaceExitValue(
77     "replexitval", cl::Hidden, cl::init(OnlyCheapRepl),
78     cl::desc("Choose the strategy to replace exit value in IndVarSimplify"),
79     cl::values(clEnumValN(NeverRepl, "never", "never replace exit value"),
80                clEnumValN(OnlyCheapRepl, "cheap",
81                           "only replace exit value when the cost is cheap"),
82                clEnumValN(AlwaysRepl, "always",
83                           "always replace exit value whenever possible"),
84                clEnumValEnd));
85
86 namespace {
87 struct RewritePhi;
88
89 class IndVarSimplify : public LoopPass {
90   LoopInfo                  *LI;
91   ScalarEvolution           *SE;
92   DominatorTree             *DT;
93   TargetLibraryInfo         *TLI;
94   const TargetTransformInfo *TTI;
95
96   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
97   bool Changed;
98 public:
99
100   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
101   IndVarSimplify()
102     : LoopPass(ID), LI(nullptr), SE(nullptr), DT(nullptr), Changed(false) {
103     initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
104   }
105
106   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
107
108   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
109     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
110     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
111     AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
112     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
113     AU.addRequiredID(LCSSAID);
114     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
115     AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
116     AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
117     AU.addPreservedID(LCSSAID);
118     AU.setPreservesCFG();
119   }
120
121 private:
122   void releaseMemory() override {
123     DeadInsts.clear();
124   }
125
126   bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
127
128   void handleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
129   void rewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
130
131   void simplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
132
133   bool canLoopBeDeleted(Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet);
134   void rewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
135
136   Value *linearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
137                                    PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
138
139   void sinkUnusedInvariants(Loop *L);
140
141   Value *expandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S, Loop *L,
142                             Instruction *InsertPt, Type *Ty);
143 };
144 }
145
146 char IndVarSimplify::ID = 0;
147 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
148                 "Induction Variable Simplification", false, false)
149 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
150 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
151 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
152 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
153 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
154 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
155                 "Induction Variable Simplification", false, false)
156
157 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
158   return new IndVarSimplify();
159 }
160
161 /// Return true if the SCEV expansion generated by the rewriter can replace the
162 /// original value. SCEV guarantees that it produces the same value, but the way
163 /// it is produced may be illegal IR.  Ideally, this function will only be
164 /// called for verification.
165 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
166   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
167   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
168   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
169   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
170   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
171   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
172   // bail out here.
173   //
174   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
175   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
176   Value *FromPtr = FromVal;
177   Value *ToPtr = ToVal;
178   if (auto *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
179     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
180   }
181   if (auto *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
182     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
183   }
184   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
185     // Quickly check the common case
186     if (FromPtr == ToPtr)
187       return true;
188
189     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
190     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
191     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
192     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
193     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
194     // indexed by an integer recurrence.
195
196     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
197     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
198       return false;
199
200     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
201     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
202     if (FromBase == ToBase)
203       return true;
204
205     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
206           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
207
208     return false;
209   }
210   return true;
211 }
212
213 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
214 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
215 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
216 /// common dominator for the incoming blocks.
217 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
218                                           DominatorTree *DT) {
219   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
220   if (!PHI)
221     return User;
222
223   Instruction *InsertPt = nullptr;
224   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
225     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
226       continue;
227
228     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
229     if (!InsertPt) {
230       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
231       continue;
232     }
233     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
234     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
235   }
236   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
237   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
238           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
239          "def does not dominate all uses");
240   return InsertPt;
241 }
242
243 //===----------------------------------------------------------------------===//
244 // rewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
245 //===----------------------------------------------------------------------===//
246
247 /// Convert APF to an integer, if possible.
248 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
249   bool isExact = false;
250   // See if we can convert this to an int64_t
251   uint64_t UIntVal;
252   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
253                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
254     return false;
255   IntVal = UIntVal;
256   return true;
257 }
258
259 /// If the loop has floating induction variable then insert corresponding
260 /// integer induction variable if possible.
261 /// For example,
262 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
263 ///   bar(i)
264 /// is converted into
265 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
266 ///   bar((double)i);
267 ///
268 void IndVarSimplify::handleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
269   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
270   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
271
272   // Check incoming value.
273   auto *InitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
274
275   int64_t InitValue;
276   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
277     return;
278
279   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
280   // an add or increment value can not be represented by an integer.
281   auto *Incr = dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
282   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
283
284   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
285   // is not an integer, bail out.
286   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
287   int64_t IncValue;
288   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
289       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
290     return;
291
292   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
293   // used by the conditional terminator.
294   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
295   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
296   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
297   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
298   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
299
300   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
301   // only used by a branch, we can't transform it.
302   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
303   if (!Compare)
304     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
305   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
306       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
307     return;
308
309   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
310
311   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
312   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
313   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
314   // of the loop.
315   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
316   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
317       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
318        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
319     return;
320
321
322   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
323   // transform it.
324   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
325   int64_t ExitValue;
326   if (ExitValueVal == nullptr ||
327       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
328     return;
329
330   // Find new predicate for integer comparison.
331   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
332   switch (Compare->getPredicate()) {
333   default: return;  // Unknown comparison.
334   case CmpInst::FCMP_OEQ:
335   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
336   case CmpInst::FCMP_ONE:
337   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
338   case CmpInst::FCMP_OGT:
339   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
340   case CmpInst::FCMP_OGE:
341   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
342   case CmpInst::FCMP_OLT:
343   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
344   case CmpInst::FCMP_OLE:
345   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
346   }
347
348   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
349   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
350   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
351   // now.
352   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
353
354   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
355   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
356     return;
357
358   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
359   if (IncValue == 0)
360     return;
361
362   // Positive and negative strides have different safety conditions.
363   if (IncValue > 0) {
364     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
365     // exit value.
366     if (InitValue >= ExitValue)
367       return;
368
369     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
370     // Check for infinite loop, either:
371     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
372     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
373       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
374     }
375
376     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
377
378     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
379     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
380     // around and do things the fp IV wouldn't.
381     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
382         Leftover != 0)
383       return;
384
385     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
386     // transform the IV.
387     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
388       return;
389
390   } else {
391     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
392     // exit value.
393     if (InitValue <= ExitValue)
394       return;
395
396     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
397     // Check for infinite loop, either:
398     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
399     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
400       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
401     }
402
403     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
404
405     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
406     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
407     // around and do things the fp IV wouldn't.
408     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
409         Leftover != 0)
410       return;
411
412     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
413     // transform the IV.
414     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
415       return;
416   }
417
418   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
419
420   // Insert new integer induction variable.
421   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
422   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
423                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
424
425   Value *NewAdd =
426     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
427                               Incr->getName()+".int", Incr);
428   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
429
430   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
431                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
432                                       Compare->getName());
433
434   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
435   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
436   WeakVH WeakPH = PN;
437
438   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
439   // new comparison.
440   NewCompare->takeName(Compare);
441   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
442   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
443
444   // Delete the old floating point increment.
445   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
446   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
447
448   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
449   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
450   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
451   // int->fp cast.
452   //
453   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
454   // platforms.
455   if (WeakPH) {
456     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
457                                  &*PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
458     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
459     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
460   }
461   Changed = true;
462 }
463
464 void IndVarSimplify::rewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
465   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
466   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
467   // the SCEV routines.
468   //
469   BasicBlock *Header = L->getHeader();
470
471   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
472   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
473        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
474     PHIs.push_back(PN);
475
476   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
477     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
478       handleFloatingPointIV(L, PN);
479
480   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
481   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
482   // re-writing, the trip count may be computable.
483   if (Changed)
484     SE->forgetLoop(L);
485 }
486
487 namespace {
488 // Collect information about PHI nodes which can be transformed in
489 // rewriteLoopExitValues.
490 struct RewritePhi {
491   PHINode *PN;
492   unsigned Ith;  // Ith incoming value.
493   Value *Val;    // Exit value after expansion.
494   bool HighCost; // High Cost when expansion.
495   bool SafePhi;  // LCSSASafePhiForRAUW.
496
497   RewritePhi(PHINode *P, unsigned I, Value *V, bool H, bool S)
498       : PN(P), Ith(I), Val(V), HighCost(H), SafePhi(S) {}
499 };
500 }
501
502 Value *IndVarSimplify::expandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S,
503                                           Loop *L, Instruction *InsertPt,
504                                           Type *ResultTy) {
505   // Before expanding S into an expensive LLVM expression, see if we can use an
506   // already existing value as the expansion for S.
507   if (Value *ExistingValue = Rewriter.findExistingExpansion(S, InsertPt, L))
508     if (ExistingValue->getType() == ResultTy)
509       return ExistingValue;
510
511   // We didn't find anything, fall back to using SCEVExpander.
512   return Rewriter.expandCodeFor(S, ResultTy, InsertPt);
513 }
514
515 //===----------------------------------------------------------------------===//
516 // rewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
517 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
518 //===----------------------------------------------------------------------===//
519
520 /// Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
521 /// If so, this means that we can compute the final value of any expressions
522 /// that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the loop
523 /// into any instructions outside of the loop that use the final values of the
524 /// current expressions.
525 ///
526 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
527 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
528 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
529 /// constant operands at the beginning of the loop.
530 void IndVarSimplify::rewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
531   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
532   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
533
534   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
535   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
536
537   SmallVector<RewritePhi, 8> RewritePhiSet;
538   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
539   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
540   // the exit blocks of the loop to find them.
541   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
542     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
543
544     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
545     // inside the loop are used on this path, skip it.
546     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
547     if (!PN) continue;
548
549     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
550
551     // We would like to be able to RAUW single-incoming value PHI nodes. We
552     // have to be certain this is safe even when this is an LCSSA PHI node.
553     // While the computed exit value is no longer varying in *this* loop, the
554     // exit block may be an exit block for an outer containing loop as well,
555     // the exit value may be varying in the outer loop, and thus it may still
556     // require an LCSSA PHI node. The safe case is when this is
557     // single-predecessor PHI node (LCSSA) and the exit block containing it is
558     // part of the enclosing loop, or this is the outer most loop of the nest.
559     // In either case the exit value could (at most) be varying in the same
560     // loop body as the phi node itself. Thus if it is in turn used outside of
561     // an enclosing loop it will only be via a separate LCSSA node.
562     bool LCSSASafePhiForRAUW =
563         NumPreds == 1 &&
564         (!L->getParentLoop() || L->getParentLoop() == LI->getLoopFor(ExitBB));
565
566     // Iterate over all of the PHI nodes.
567     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
568     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
569       if (PN->use_empty())
570         continue; // dead use, don't replace it
571
572       // SCEV only supports integer expressions for now.
573       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
574         continue;
575
576       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
577       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
578       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
579       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
580       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
581       SE->forgetValue(PN);
582
583       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
584       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
585         // If the value being merged in is not integer or is not defined
586         // in the loop, skip it.
587         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
588         if (!isa<Instruction>(InVal))
589           continue;
590
591         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
592         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
593           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
594
595         // Check that InVal is defined in the loop.
596         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
597         if (!L->contains(Inst))
598           continue;
599
600         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
601         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
602         // contains when the loop exits, if possible.
603         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
604         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
605             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
606           continue;
607
608         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
609         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
610         //    optimized away.
611         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
612         //    computation out of the loop
613         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
614           unsigned NumHardInternalUses = 0;
615           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
616           unsigned NumUses = 0;
617           for (auto IB = Inst->user_begin(), IE = Inst->user_end();
618                IB != IE && NumUses <= 6; ++IB) {
619             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
620             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
621             NumUses++;
622             if (L->contains(UseInstr)) {
623               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
624                 NumHardInternalUses++;
625             } else {
626               if (Opc == Instruction::PHI) {
627                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
628                 // plenty of trivial ones.
629                 NumUses--;
630                 for (auto PB = UseInstr->user_begin(),
631                           PE = UseInstr->user_end();
632                      PB != PE && NumUses <= 6; ++PB, ++NumUses) {
633                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
634                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
635                     NumSoftExternalUses++;
636                 }
637                 continue;
638               }
639               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
640                 NumSoftExternalUses++;
641             }
642           }
643           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
644             continue;
645         }
646
647         bool HighCost = Rewriter.isHighCostExpansion(ExitValue, L, Inst);
648         Value *ExitVal =
649             expandSCEVIfNeeded(Rewriter, ExitValue, L, Inst, PN->getType());
650
651         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
652                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
653
654         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
655           DeadInsts.push_back(ExitVal);
656           continue;
657         }
658
659         // Collect all the candidate PHINodes to be rewritten.
660         RewritePhiSet.push_back(
661             RewritePhi(PN, i, ExitVal, HighCost, LCSSASafePhiForRAUW));
662       }
663     }
664   }
665
666   bool LoopCanBeDel = canLoopBeDeleted(L, RewritePhiSet);
667
668   // Transformation.
669   for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
670     PHINode *PN = Phi.PN;
671     Value *ExitVal = Phi.Val;
672
673     // Only do the rewrite when the ExitValue can be expanded cheaply.
674     // If LoopCanBeDel is true, rewrite exit value aggressively.
675     if (ReplaceExitValue == OnlyCheapRepl && !LoopCanBeDel && Phi.HighCost) {
676       DeadInsts.push_back(ExitVal);
677       continue;
678     }
679
680     Changed = true;
681     ++NumReplaced;
682     Instruction *Inst = cast<Instruction>(PN->getIncomingValue(Phi.Ith));
683     PN->setIncomingValue(Phi.Ith, ExitVal);
684
685     // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
686     // invalidating iterators.
687     if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
688       DeadInsts.push_back(Inst);
689
690     // If we determined that this PHI is safe to replace even if an LCSSA
691     // PHI, do so.
692     if (Phi.SafePhi) {
693       PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
694       PN->eraseFromParent();
695     }
696   }
697
698   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
699   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
700   Rewriter.clearInsertPoint();
701 }
702
703 /// Check whether it is possible to delete the loop after rewriting exit
704 /// value. If it is possible, ignore ReplaceExitValue and do rewriting
705 /// aggressively.
706 bool IndVarSimplify::canLoopBeDeleted(
707     Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet) {
708
709   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
710   // If there is no preheader, the loop will not be deleted.
711   if (!Preheader)
712     return false;
713
714   // In LoopDeletion pass Loop can be deleted when ExitingBlocks.size() > 1.
715   // We obviate multiple ExitingBlocks case for simplicity.
716   // TODO: If we see testcase with multiple ExitingBlocks can be deleted
717   // after exit value rewriting, we can enhance the logic here.
718   SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
719   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
720   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
721   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
722   if (ExitBlocks.size() > 1 || ExitingBlocks.size() > 1)
723     return false;
724
725   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
726   BasicBlock::iterator BI = ExitBlock->begin();
727   while (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(BI)) {
728     Value *Incoming = P->getIncomingValueForBlock(ExitingBlocks[0]);
729
730     // If the Incoming value of P is found in RewritePhiSet, we know it
731     // could be rewritten to use a loop invariant value in transformation
732     // phase later. Skip it in the loop invariant check below.
733     bool found = false;
734     for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
735       unsigned i = Phi.Ith;
736       if (Phi.PN == P && (Phi.PN)->getIncomingValue(i) == Incoming) {
737         found = true;
738         break;
739       }
740     }
741
742     Instruction *I;
743     if (!found && (I = dyn_cast<Instruction>(Incoming)))
744       if (!L->hasLoopInvariantOperands(I))
745         return false;
746
747     ++BI;
748   }
749
750   for (Loop::block_iterator LI = L->block_begin(), LE = L->block_end();
751        LI != LE; ++LI) {
752     for (BasicBlock::iterator BI = (*LI)->begin(), BE = (*LI)->end(); BI != BE;
753          ++BI) {
754       if (BI->mayHaveSideEffects())
755         return false;
756     }
757   }
758
759   return true;
760 }
761
762 //===----------------------------------------------------------------------===//
763 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
764 //===----------------------------------------------------------------------===//
765
766 namespace {
767 // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
768 // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and provides
769 // the input to WidenIV.
770 struct WideIVInfo {
771   PHINode *NarrowIV = nullptr;
772   Type *WidestNativeType = nullptr; // Widest integer type created [sz]ext
773   bool IsSigned = false;            // Was a sext user seen before a zext?
774 };
775 }
776
777 /// Update information about the induction variable that is extended by this
778 /// sign or zero extend operation. This is used to determine the final width of
779 /// the IV before actually widening it.
780 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
781                         const TargetTransformInfo *TTI) {
782   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
783   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
784     return;
785
786   Type *Ty = Cast->getType();
787   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
788   if (!Cast->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(Width))
789     return;
790
791   // Cast is either an sext or zext up to this point.
792   // We should not widen an indvar if arithmetics on the wider indvar are more
793   // expensive than those on the narrower indvar. We check only the cost of ADD
794   // because at least an ADD is required to increment the induction variable. We
795   // could compute more comprehensively the cost of all instructions on the
796   // induction variable when necessary.
797   if (TTI &&
798       TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add, Ty) >
799           TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add,
800                                       Cast->getOperand(0)->getType())) {
801     return;
802   }
803
804   if (!WI.WidestNativeType) {
805     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
806     WI.IsSigned = IsSigned;
807     return;
808   }
809
810   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
811   if (WI.IsSigned != IsSigned)
812     return;
813
814   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
815     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
816 }
817
818 namespace {
819
820 /// Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the WideIV that
821 /// computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids caching Use*
822 /// pointers.
823 struct NarrowIVDefUse {
824   Instruction *NarrowDef = nullptr;
825   Instruction *NarrowUse = nullptr;
826   Instruction *WideDef = nullptr;
827
828   // True if the narrow def is never negative.  Tracking this information lets
829   // us use a sign extension instead of a zero extension or vice versa, when
830   // profitable and legal.
831   bool NeverNegative = false;
832
833   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD,
834                  bool NeverNegative)
835       : NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD),
836         NeverNegative(NeverNegative) {}
837 };
838
839 /// The goal of this transform is to remove sign and zero extends without
840 /// creating any new induction variables. To do this, it creates a new phi of
841 /// the wider type and redirects all users, either removing extends or inserting
842 /// truncs whenever we stop propagating the type.
843 ///
844 class WidenIV {
845   // Parameters
846   PHINode *OrigPhi;
847   Type *WideType;
848   bool IsSigned;
849
850   // Context
851   LoopInfo        *LI;
852   Loop            *L;
853   ScalarEvolution *SE;
854   DominatorTree   *DT;
855
856   // Result
857   PHINode *WidePhi;
858   Instruction *WideInc;
859   const SCEV *WideIncExpr;
860   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
861
862   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
863   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
864
865 public:
866   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
867           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
868           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
869     OrigPhi(WI.NarrowIV),
870     WideType(WI.WidestNativeType),
871     IsSigned(WI.IsSigned),
872     LI(LInfo),
873     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
874     SE(SEv),
875     DT(DTree),
876     WidePhi(nullptr),
877     WideInc(nullptr),
878     WideIncExpr(nullptr),
879     DeadInsts(DI) {
880     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
881   }
882
883   PHINode *createWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
884
885 protected:
886   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
887                    Instruction *Use);
888
889   Instruction *cloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
890
891   const SCEVAddRecExpr *getWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
892
893   const SCEVAddRecExpr* getExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
894
895   const SCEV *getSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
896                               unsigned OpCode) const;
897
898   Instruction *widenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
899
900   bool widenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
901
902   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
903 };
904 } // anonymous namespace
905
906 /// Perform a quick domtree based check for loop invariance assuming that V is
907 /// used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems gratuitous for this
908 /// purpose.
909 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
910   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
911   if (!Inst)
912     return true;
913
914   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
915 }
916
917 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
918                           Instruction *Use) {
919   // Set the debug location and conservative insertion point.
920   IRBuilder<> Builder(Use);
921   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
922   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
923        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
924        L = L->getParentLoop())
925     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
926
927   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
928                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
929 }
930
931 /// Instantiate a wide operation to replace a narrow operation. This only needs
932 /// to handle operations that can evaluation to SCEVAddRec. It can safely return
933 /// 0 for any operation we decide not to clone.
934 Instruction *WidenIV::cloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
935   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
936   switch (Opcode) {
937   default:
938     return nullptr;
939   case Instruction::Add:
940   case Instruction::Mul:
941   case Instruction::UDiv:
942   case Instruction::Sub:
943   case Instruction::And:
944   case Instruction::Or:
945   case Instruction::Xor:
946   case Instruction::Shl:
947   case Instruction::LShr:
948   case Instruction::AShr:
949     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
950
951     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
952     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
953     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
954     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
955     // widenIVUse.
956     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
957       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
958     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
959       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
960
961     auto *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
962     auto *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(), LHS, RHS,
963                                           NarrowBO->getName());
964     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
965     Builder.Insert(WideBO);
966     if (const auto *OBO = dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
967       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
968       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
969     }
970     return WideBO;
971   }
972 }
973
974 const SCEV *WidenIV::getSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
975                                      unsigned OpCode) const {
976   if (OpCode == Instruction::Add)
977     return SE->getAddExpr(LHS, RHS);
978   if (OpCode == Instruction::Sub)
979     return SE->getMinusSCEV(LHS, RHS);
980   if (OpCode == Instruction::Mul)
981     return SE->getMulExpr(LHS, RHS);
982
983   llvm_unreachable("Unsupported opcode.");
984 }
985
986 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
987 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
988 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
989 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
990 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::getExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
991
992   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
993   const unsigned OpCode = DU.NarrowUse->getOpcode();
994   // Only Add/Sub/Mul instructions supported yet.
995   if (OpCode != Instruction::Add && OpCode != Instruction::Sub &&
996       OpCode != Instruction::Mul)
997     return nullptr;
998
999   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
1000   // if extending the other will lead to a recurrence.
1001   const unsigned ExtendOperIdx =
1002       DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
1003   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
1004
1005   const SCEV *ExtendOperExpr = nullptr;
1006   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
1007     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
1008   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
1009     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
1010       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1011   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
1012     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
1013       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1014   else
1015     return nullptr;
1016
1017   // When creating this SCEV expr, don't apply the current operations NSW or NUW
1018   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
1019   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
1020   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
1021   // semantics to those operations.
1022   const SCEV *lhs = SE->getSCEV(DU.WideDef);
1023   const SCEV *rhs = ExtendOperExpr;
1024
1025   // Let's swap operands to the initial order for the case of non-commutative
1026   // operations, like SUB. See PR21014.
1027   if (ExtendOperIdx == 0)
1028     std::swap(lhs, rhs);
1029   const SCEVAddRecExpr *AddRec =
1030       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(getSCEVByOpCode(lhs, rhs, OpCode));
1031
1032   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1033     return nullptr;
1034   return AddRec;
1035 }
1036
1037 /// Is this instruction potentially interesting for further simplification after
1038 /// widening it's type? In other words, can the extend be safely hoisted out of
1039 /// the loop with SCEV reducing the value to a recurrence on the same loop. If
1040 /// so, return the sign or zero extended recurrence. Otherwise return NULL.
1041 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::getWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
1042   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
1043     return nullptr;
1044
1045   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
1046   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
1047       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
1048     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
1049     // index. So don't follow this use.
1050     return nullptr;
1051   }
1052
1053   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
1054     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
1055     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1056   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
1057   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1058     return nullptr;
1059   return AddRec;
1060 }
1061
1062 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
1063 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
1064 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
1065   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
1066         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
1067   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1068   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1069   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1070 }
1071
1072 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
1073 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
1074 // loop preheader as far as possible.
1075 bool WidenIV::widenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
1076   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
1077   if (!Cmp)
1078     return false;
1079
1080   // We can legally widen the comparison in the following two cases:
1081   //
1082   //  - The signedness of the IV extension and comparison match
1083   //
1084   //  - The narrow IV is always positive (and thus its sign extension is equal
1085   //    to its zero extension).  For instance, let's say we're zero extending
1086   //    %narrow for the following use
1087   //
1088   //      icmp slt i32 %narrow, %val   ... (A)
1089   //
1090   //    and %narrow is always positive.  Then
1091   //
1092   //      (A) == icmp slt i32 sext(%narrow), sext(%val)
1093   //          == icmp slt i32 zext(%narrow), sext(%val)
1094
1095   if (!(DU.NeverNegative || IsSigned == Cmp->isSigned()))
1096     return false;
1097
1098   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
1099   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
1100   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1101   assert (CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
1102
1103   // Widen the compare instruction.
1104   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1105   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1106
1107   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
1108   if (CastWidth < IVWidth) {
1109     Value *ExtOp = getExtend(Op, WideType, Cmp->isSigned(), Cmp);
1110     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
1111   }
1112   return true;
1113 }
1114
1115 /// Determine whether an individual user of the narrow IV can be widened. If so,
1116 /// return the wide clone of the user.
1117 Instruction *WidenIV::widenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
1118
1119   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
1120   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
1121     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
1122       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
1123       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
1124       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
1125       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
1126         truncateIVUse(DU, DT);
1127       else {
1128         PHINode *WidePhi =
1129           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
1130                           UsePhi);
1131         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
1132         IRBuilder<> Builder(&*WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
1133         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
1134         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
1135         DeadInsts.emplace_back(UsePhi);
1136         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
1137               << " to " << *WidePhi << "\n");
1138       }
1139       return nullptr;
1140     }
1141   }
1142   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1143   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1144     Value *NewDef = DU.WideDef;
1145     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1146       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1147       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1148       if (CastWidth < IVWidth) {
1149         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1150         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1151         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1152       }
1153       else {
1154         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1155         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1156         // dead. It should be very rare.
1157         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1158               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1159         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1160         NewDef = DU.NarrowUse;
1161       }
1162     }
1163     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1164       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1165             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1166       ++NumElimExt;
1167       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1168       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowUse);
1169     }
1170     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1171     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1172     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1173     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1174     // push the uses of WideDef here.
1175
1176     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1177     return nullptr;
1178   }
1179
1180   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1181   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = getWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1182   if (!WideAddRec)
1183     WideAddRec = getExtendedOperandRecurrence(DU);
1184
1185   if (!WideAddRec) {
1186     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1187     // truncating the IV first.
1188     if (widenLoopCompare(DU))
1189       return nullptr;
1190
1191     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1192     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1193     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1194     truncateIVUse(DU, DT);
1195     return nullptr;
1196   }
1197   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1198   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1199   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1200          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1201
1202   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1203   // NarrowUse.
1204   Instruction *WideUse = nullptr;
1205   if (WideAddRec == WideIncExpr
1206       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1207     WideUse = WideInc;
1208   else {
1209     WideUse = cloneIVUser(DU);
1210     if (!WideUse)
1211       return nullptr;
1212   }
1213   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1214   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1215   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1216   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1217   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1218   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1219     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1220           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1221     DeadInsts.emplace_back(WideUse);
1222     return nullptr;
1223   }
1224
1225   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1226   return WideUse;
1227 }
1228
1229 /// Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1230 ///
1231 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1232   const SCEV *NarrowSCEV = SE->getSCEV(NarrowDef);
1233   bool NeverNegative =
1234       SE->isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, NarrowSCEV,
1235                            SE->getConstant(NarrowSCEV->getType(), 0));
1236   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1237     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1238
1239     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1240     if (!Widened.insert(NarrowUser).second)
1241       continue;
1242
1243     NarrowIVUsers.push_back(
1244         NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUser, WideDef, NeverNegative));
1245   }
1246 }
1247
1248 /// Process a single induction variable. First use the SCEVExpander to create a
1249 /// wide induction variable that evaluates to the same recurrence as the
1250 /// original narrow IV. Then use a worklist to forward traverse the narrow IV's
1251 /// def-use chain. After widenIVUse has processed all interesting IV users, the
1252 /// narrow IV will be isolated for removal by DeleteDeadPHIs.
1253 ///
1254 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1255 /// invalidating SCEV expressions.
1256 ///
1257 PHINode *WidenIV::createWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1258   // Is this phi an induction variable?
1259   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1260   if (!AddRec)
1261     return nullptr;
1262
1263   // Widen the induction variable expression.
1264   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1265     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1266     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1267
1268   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1269          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1270
1271   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1272   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1273   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1274     return nullptr;
1275
1276   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1277   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1278   // operands, so they must dominate the loop header.
1279   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1280          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1281          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1282
1283   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1284   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1285   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1286   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1287   Instruction *InsertPt = &L->getHeader()->front();
1288   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1289
1290   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1291   // widenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1292   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1293   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1294   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1295     WideInc =
1296       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1297     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1298   }
1299
1300   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1301   ++NumWidened;
1302
1303   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1304   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1305
1306   Widened.insert(OrigPhi);
1307   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1308
1309   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1310     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1311
1312     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1313     // use_iterator across it.
1314     Instruction *WideUse = widenIVUse(DU, Rewriter);
1315
1316     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1317     if (WideUse)
1318       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1319
1320     // widenIVUse may have removed the def-use edge.
1321     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1322       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowDef);
1323   }
1324   return WidePhi;
1325 }
1326
1327 //===----------------------------------------------------------------------===//
1328 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1329 //===----------------------------------------------------------------------===//
1330
1331
1332 //===----------------------------------------------------------------------===//
1333 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1334 //===----------------------------------------------------------------------===//
1335
1336 namespace {
1337 class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1338   ScalarEvolution *SE;
1339   const TargetTransformInfo *TTI;
1340   PHINode *IVPhi;
1341
1342 public:
1343   WideIVInfo WI;
1344
1345   IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1346                         const TargetTransformInfo *TTI,
1347                         const DominatorTree *DTree)
1348     : SE(SCEV), TTI(TTI), IVPhi(IV) {
1349     DT = DTree;
1350     WI.NarrowIV = IVPhi;
1351     if (ReduceLiveIVs)
1352       setSplitOverflowIntrinsics();
1353   }
1354
1355   // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1356   void visitCast(CastInst *Cast) override { visitIVCast(Cast, WI, SE, TTI); }
1357 };
1358 }
1359
1360 /// Iteratively perform simplification on a worklist of IV users. Each
1361 /// successive simplification may push more users which may themselves be
1362 /// candidates for simplification.
1363 ///
1364 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1365 ///
1366 void IndVarSimplify::simplifyAndExtend(Loop *L,
1367                                        SCEVExpander &Rewriter,
1368                                        LPPassManager &LPM) {
1369   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1370
1371   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1372   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1373     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1374   }
1375   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1376   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1377   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1378   // simplification on the wide IVs.
1379   while (!LoopPhis.empty()) {
1380     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1381     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1382     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1383     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1384     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1385     // other SCEV based analysis prior to simplifyAndExtend.
1386     do {
1387       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1388
1389       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1390       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, TTI, DT);
1391
1392       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, DT, &LPM, DeadInsts, &Visitor);
1393
1394       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1395         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1396       }
1397     } while(!LoopPhis.empty());
1398
1399     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1400       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1401       if (PHINode *WidePhi = Widener.createWideIV(Rewriter)) {
1402         Changed = true;
1403         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1404       }
1405     }
1406   }
1407 }
1408
1409 //===----------------------------------------------------------------------===//
1410 //  linearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1411 //===----------------------------------------------------------------------===//
1412
1413 /// Return true if this loop's backedge taken count expression can be safely and
1414 /// cheaply expanded into an instruction sequence that can be used by
1415 /// linearFunctionTestReplace.
1416 ///
1417 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1418 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1419 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1420 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1421 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1422 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1423 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1424 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1425 /// into inequality tests.
1426 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE,
1427                                         SCEVExpander &Rewriter) {
1428   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1429   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1430       BackedgeTakenCount->isZero())
1431     return false;
1432
1433   if (!L->getExitingBlock())
1434     return false;
1435
1436   // Can't rewrite non-branch yet.
1437   if (!isa<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator()))
1438     return false;
1439
1440   if (Rewriter.isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, L))
1441     return false;
1442
1443   return true;
1444 }
1445
1446 /// Return the loop header phi IFF IncV adds a loop invariant value to the phi.
1447 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1448   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1449   if (!IncI)
1450     return nullptr;
1451
1452   switch (IncI->getOpcode()) {
1453   case Instruction::Add:
1454   case Instruction::Sub:
1455     break;
1456   case Instruction::GetElementPtr:
1457     // An IV counter must preserve its type.
1458     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1459       break;
1460   default:
1461     return nullptr;
1462   }
1463
1464   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1465   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1466     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1467       return Phi;
1468     return nullptr;
1469   }
1470   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1471     return nullptr;
1472
1473   // Allow add/sub to be commuted.
1474   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1475   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1476     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1477       return Phi;
1478   }
1479   return nullptr;
1480 }
1481
1482 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1483 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1484   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1485
1486   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1487   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1488   if (!LatchBlock)
1489     return nullptr;
1490
1491   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1492   assert(BI && "expected exit branch");
1493
1494   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1495 }
1496
1497 /// linearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show that the
1498 /// current exit test is already sufficiently canonical.
1499 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1500   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1501   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1502   if (!Cond)
1503     return true;
1504
1505   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1506   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1507   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1508     return true;
1509
1510   // Look for a loop invariant RHS
1511   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1512   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1513   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1514     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1515       return true;
1516     std::swap(LHS, RHS);
1517   }
1518   // Look for a simple IV counter LHS
1519   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1520   if (!Phi)
1521     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1522
1523   if (!Phi)
1524     return true;
1525
1526   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1527   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1528   if (Idx < 0)
1529     return true;
1530
1531   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1532   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1533   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1534 }
1535
1536 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1537 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1538 /// that may hide undef.
1539 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1540                                unsigned Depth) {
1541   if (isa<Constant>(V))
1542     return !isa<UndefValue>(V);
1543
1544   if (Depth >= 6)
1545     return false;
1546
1547   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1548   // may be undef.
1549   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1550   if (!I)
1551     return false;
1552
1553   // Load and return values may be undef.
1554   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1555     return false;
1556
1557   // Optimistically handle other instructions.
1558   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1559     if (!Visited.insert(*OI).second)
1560       continue;
1561     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1562       return false;
1563   }
1564   return true;
1565 }
1566
1567 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1568 /// never reach it.
1569 ///
1570 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1571 /// may factor it into a common location.
1572 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1573   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1574   Visited.insert(V);
1575   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1576 }
1577
1578 /// Return true if this IV has any uses other than the (soon to be rewritten)
1579 /// loop exit test.
1580 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1581   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1582   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1583
1584   for (User *U : Phi->users())
1585     if (U != Cond && U != IncV) return false;
1586
1587   for (User *U : IncV->users())
1588     if (U != Cond && U != Phi) return false;
1589   return true;
1590 }
1591
1592 /// Find an affine IV in canonical form.
1593 ///
1594 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1595 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1596 /// expression as far as SCEV is concerned.
1597 ///
1598 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1599 ///
1600 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1601 ///
1602 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1603 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1604 /// could at least handle constant BECounts.
1605 static PHINode *FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1606                                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT) {
1607   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1608
1609   Value *Cond =
1610     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1611
1612   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1613   PHINode *BestPhi = nullptr;
1614   const SCEV *BestInit = nullptr;
1615   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1616   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1617
1618   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1619     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1620     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1621       continue;
1622
1623     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1624     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1625       continue;
1626
1627     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1628     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1629       continue;
1630
1631     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1632     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1633     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1634     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1635     if (PhiWidth < BCWidth ||
1636         !L->getHeader()->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(PhiWidth))
1637       continue;
1638
1639     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1640     if (!Step || !Step->isOne())
1641       continue;
1642
1643     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1644     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1645     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1646       continue;
1647
1648     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1649     // have originally had a concrete definition.
1650     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1651       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1652       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1653       // increase the number of undef users.
1654       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1655         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1656             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1657           continue;
1658         }
1659       }
1660     }
1661     const SCEV *Init = AR->getStart();
1662
1663     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1664       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1665       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1666         continue;
1667
1668       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1669       // also prefers integer to pointer IVs.
1670       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1671         if (BestInit->isZero())
1672           continue;
1673       }
1674       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1675       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1676       // to allow the other to be eliminated.
1677       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1678         continue;
1679     }
1680     BestPhi = Phi;
1681     BestInit = Init;
1682   }
1683   return BestPhi;
1684 }
1685
1686 /// Help linearFunctionTestReplace by generating a value that holds the RHS of
1687 /// the new loop test.
1688 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1689                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1690   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1691   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1692   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1693
1694   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1695   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1696   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1697   // the existing GEPs whenever possible.
1698   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1699       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1700
1701     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1702     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1703     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1704     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1705     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1706     // extend IVCount.
1707     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1708     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1709
1710     // Expand the code for the iteration count.
1711     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1712            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1713     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1714     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1715
1716     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1717     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1718     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1719     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1720     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1721              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1722            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1723
1724     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1725     return Builder.CreateGEP(nullptr, GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1726   }
1727   else {
1728     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1729     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1730     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1731     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1732     //
1733     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1734     // for simple memset-style loops.
1735     //
1736     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1737     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1738
1739     const SCEV *IVLimit = nullptr;
1740     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1741     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1742     if (AR->getStart()->isZero())
1743       IVLimit = IVCount;
1744     else {
1745       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1746       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1747
1748       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1749       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1750           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1751         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1752
1753       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1754     }
1755     // Expand the code for the iteration count.
1756     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1757     IRBuilder<> Builder(BI);
1758     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1759            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1760     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1761     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1762     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1763     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1764       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1765     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1766   }
1767 }
1768
1769 /// This method rewrites the exit condition of the loop to be a canonical !=
1770 /// comparison against the incremented loop induction variable.  This pass is
1771 /// able to rewrite the exit tests of any loop where the SCEV analysis can
1772 /// determine a loop-invariant trip count of the loop, which is actually a much
1773 /// broader range than just linear tests.
1774 Value *IndVarSimplify::
1775 linearFunctionTestReplace(Loop *L,
1776                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1777                           PHINode *IndVar,
1778                           SCEVExpander &Rewriter) {
1779   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && "precondition");
1780
1781   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1782   Value *CmpIndVar = IndVar;
1783   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1784
1785   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1786   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1787   // against the preincremented value.
1788   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1789     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1790     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1791     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1792     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1793                              SE->getOne(BackedgeTakenCount->getType()));
1794     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1795     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1796     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1797     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1798   }
1799
1800   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1801   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1802          && "genLoopLimit missed a cast");
1803
1804   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1805   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1806   ICmpInst::Predicate P;
1807   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1808     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1809   else
1810     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1811
1812   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1813                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1814                << "       op:\t"
1815                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1816                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1817                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1818
1819   IRBuilder<> Builder(BI);
1820
1821   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1822   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1823   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1824   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1825   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1826     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1827     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1828     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1829     // For constant IVCount, avoid truncation.
1830     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1831       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1832       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1833       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1834       // above such that IVCount is now zero.
1835       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1836         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1837         ++Count;
1838       }
1839       else
1840         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1841       APInt NewLimit;
1842       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1843         NewLimit = Start - Count;
1844       else
1845         NewLimit = Start + Count;
1846       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1847
1848       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1849     } else {
1850       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1851                                       "lftr.wideiv");
1852     }
1853   }
1854   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1855   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1856   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1857   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1858   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1859   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1860   // will make old comparison dead.
1861   BI->setCondition(Cond);
1862   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1863
1864   ++NumLFTR;
1865   Changed = true;
1866   return Cond;
1867 }
1868
1869 //===----------------------------------------------------------------------===//
1870 //  sinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1871 //===----------------------------------------------------------------------===//
1872
1873 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1874 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1875 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1876 void IndVarSimplify::sinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1877   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1878   if (!ExitBlock) return;
1879
1880   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1881   if (!Preheader) return;
1882
1883   Instruction *InsertPt = &*ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1884   BasicBlock::iterator I(Preheader->getTerminator());
1885   while (I != Preheader->begin()) {
1886     --I;
1887     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1888     if (isa<PHINode>(I))
1889       break;
1890
1891     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1892     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1893     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1894     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1895     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1896     // block.
1897     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1898       continue;
1899
1900     // Skip debug info intrinsics.
1901     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1902       continue;
1903
1904     // Skip eh pad instructions.
1905     if (I->isEHPad())
1906       continue;
1907
1908     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1909     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1910     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1911     // FIXME: Refactor this check somehow?
1912     if (isa<AllocaInst>(I))
1913       continue;
1914
1915     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1916     // otherwise).
1917     bool UsedInLoop = false;
1918     for (Use &U : I->uses()) {
1919       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
1920       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
1921       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
1922         unsigned i =
1923           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
1924         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1925       }
1926       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1927         UsedInLoop = true;
1928         break;
1929       }
1930     }
1931
1932     // If there is, the def must remain in the preheader.
1933     if (UsedInLoop)
1934       continue;
1935
1936     // Otherwise, sink it to the exit block.
1937     Instruction *ToMove = &*I;
1938     bool Done = false;
1939
1940     if (I != Preheader->begin()) {
1941       // Skip debug info intrinsics.
1942       do {
1943         --I;
1944       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1945
1946       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1947         Done = true;
1948     } else {
1949       Done = true;
1950     }
1951
1952     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1953     if (Done) break;
1954     InsertPt = ToMove;
1955   }
1956 }
1957
1958 //===----------------------------------------------------------------------===//
1959 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1960 //===----------------------------------------------------------------------===//
1961
1962 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1963   if (skipOptnoneFunction(L))
1964     return false;
1965
1966   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1967   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1968   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1969   //    afterwards.
1970   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1971   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1972   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1973   //    we've manually inserted one.
1974   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1975     return false;
1976
1977   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1978   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1979   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1980   auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1981   TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
1982   auto *TTIP = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfoWrapperPass>();
1983   TTI = TTIP ? &TTIP->getTTI(*L->getHeader()->getParent()) : nullptr;
1984   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1985
1986   DeadInsts.clear();
1987   Changed = false;
1988
1989   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1990   // transform them to use integer recurrences.
1991   rewriteNonIntegerIVs(L);
1992
1993   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1994
1995   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1996   SCEVExpander Rewriter(*SE, DL, "indvars");
1997 #ifndef NDEBUG
1998   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1999 #endif
2000
2001   // Eliminate redundant IV users.
2002   //
2003   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
2004   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
2005   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
2006   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
2007   Rewriter.disableCanonicalMode();
2008   simplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
2009
2010   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
2011   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
2012   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
2013   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
2014   // the current expressions.
2015   //
2016   if (ReplaceExitValue != NeverRepl &&
2017       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2018     rewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
2019
2020   // Eliminate redundant IV cycles.
2021   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
2022
2023   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
2024   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
2025   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && needsLFTR(L, DT)) {
2026     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT);
2027     if (IndVar) {
2028       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
2029       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
2030       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
2031       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
2032       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
2033       //
2034       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
2035       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
2036       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
2037       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
2038         (void)linearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
2039                                         Rewriter);
2040     }
2041   }
2042   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
2043   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
2044   // trigger.
2045   Rewriter.clear();
2046
2047   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
2048   // which are now dead.
2049   while (!DeadInsts.empty())
2050     if (Instruction *Inst =
2051             dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
2052       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
2053
2054   // The Rewriter may not be used from this point on.
2055
2056   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
2057   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
2058   sinkUnusedInvariants(L);
2059
2060   // Clean up dead instructions.
2061   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
2062   // Check a post-condition.
2063   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
2064          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
2065
2066   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
2067   // ability to compute trip count.
2068 #ifndef NDEBUG
2069   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
2070     SE->forgetLoop(L);
2071     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2072     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2073         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2074       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2075                                          BackedgeTakenCount->getType());
2076     else
2077       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2078                                                  NewBECount->getType());
2079     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2080   }
2081 #endif
2082
2083   return Changed;
2084 }