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