[PM] Port ScalarEvolution to the new pass manager.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
15 // changes:
16 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
17 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
18 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
19 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
20 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
21 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
22 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
23 //      expression, this transformation will make the loop dead.
24 //
25 //===----------------------------------------------------------------------===//
26
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
33 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
34 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
35 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
36 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
37 #include "llvm/IR/CFG.h"
38 #include "llvm/IR/Constants.h"
39 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
40 #include "llvm/IR/Dominators.h"
41 #include "llvm/IR/Instructions.h"
42 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
43 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
44 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
45 #include "llvm/IR/Type.h"
46 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
50 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
51 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
52 using namespace llvm;
53
54 #define DEBUG_TYPE "indvars"
55
56 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
57 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
58 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
59 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
60 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
61
62 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
63 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
64 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
65 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
66   "verify-indvars", cl::Hidden,
67   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
68
69 static cl::opt<bool> ReduceLiveIVs("liv-reduce", cl::Hidden,
70   cl::desc("Reduce live induction variables."));
71
72 enum ReplaceExitVal { NeverRepl, OnlyCheapRepl, AlwaysRepl };
73
74 static cl::opt<ReplaceExitVal> ReplaceExitValue(
75     "replexitval", cl::Hidden, cl::init(OnlyCheapRepl),
76     cl::desc("Choose the strategy to replace exit value in IndVarSimplify"),
77     cl::values(clEnumValN(NeverRepl, "never", "never replace exit value"),
78                clEnumValN(OnlyCheapRepl, "cheap",
79                           "only replace exit value when the cost is cheap"),
80                clEnumValN(AlwaysRepl, "always",
81                           "always replace exit value whenever possible"),
82                clEnumValEnd));
83
84 namespace {
85 struct RewritePhi;
86 }
87
88 namespace {
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<ScalarEvolutionWrapperPass>();
115       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
116       AU.addPreservedID(LCSSAID);
117       AU.setPreservesCFG();
118     }
119
120   private:
121     void releaseMemory() override {
122       DeadInsts.clear();
123     }
124
125     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
126
127     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
128     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
129
130     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
131
132     bool CanLoopBeDeleted(Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet);
133     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
134
135     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
136                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
137
138     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
139
140     Value *ExpandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S, Loop *L,
141                               Instruction *InsertPt, Type *Ty);
142   };
143 }
144
145 char IndVarSimplify::ID = 0;
146 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
147                 "Induction Variable Simplification", false, false)
148 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
149 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
150 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
151 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
152 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
153 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
154                 "Induction Variable Simplification", false, false)
155
156 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
157   return new IndVarSimplify();
158 }
159
160 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
161 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
162 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
163 /// Ideally, this function will only be called for verification.
164 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
165   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
166   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
167   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
168   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
169   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
170   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
171   // bail out here.
172   //
173   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
174   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
175   Value *FromPtr = FromVal;
176   Value *ToPtr = ToVal;
177   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
178     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
179   }
180   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
181     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
182   }
183   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
184     // Quickly check the common case
185     if (FromPtr == ToPtr)
186       return true;
187
188     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
189     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
190     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
191     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
192     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
193     // indexed by an integer recurrence.
194
195     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
196     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
197       return false;
198
199     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
200     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
201     if (FromBase == ToBase)
202       return true;
203
204     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
205           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
206
207     return false;
208   }
209   return true;
210 }
211
212 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
213 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
214 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
215 /// common dominator for the incoming blocks.
216 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
217                                           DominatorTree *DT) {
218   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
219   if (!PHI)
220     return User;
221
222   Instruction *InsertPt = nullptr;
223   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
224     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
225       continue;
226
227     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
228     if (!InsertPt) {
229       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
230       continue;
231     }
232     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
233     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
234   }
235   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
236   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
237           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
238          "def does not dominate all uses");
239   return InsertPt;
240 }
241
242 //===----------------------------------------------------------------------===//
243 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
244 //===----------------------------------------------------------------------===//
245
246 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
247 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
248   bool isExact = false;
249   // See if we can convert this to an int64_t
250   uint64_t UIntVal;
251   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
252                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
253     return false;
254   IntVal = UIntVal;
255   return true;
256 }
257
258 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
259 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
260 /// For example,
261 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
262 ///   bar(i)
263 /// is converted into
264 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
265 ///   bar((double)i);
266 ///
267 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
268   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
269   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
270
271   // Check incoming value.
272   ConstantFP *InitValueVal =
273     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   BinaryOperator *Incr =
282     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
283   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
284
285   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
286   // is not an integer, bail out.
287   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
288   int64_t IncValue;
289   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
290       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
291     return;
292
293   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
294   // used by the conditional terminator.
295   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
296   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
297   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
298   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
299   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
300
301   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
302   // only used by a branch, we can't transform it.
303   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
304   if (!Compare)
305     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
306   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
307       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
308     return;
309
310   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
311
312   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
313   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
314   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
315   // of the loop.
316   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
317   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
318       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
319        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
320     return;
321
322
323   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
324   // transform it.
325   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
326   int64_t ExitValue;
327   if (ExitValueVal == nullptr ||
328       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
329     return;
330
331   // Find new predicate for integer comparison.
332   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
333   switch (Compare->getPredicate()) {
334   default: return;  // Unknown comparison.
335   case CmpInst::FCMP_OEQ:
336   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
337   case CmpInst::FCMP_ONE:
338   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
339   case CmpInst::FCMP_OGT:
340   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
341   case CmpInst::FCMP_OGE:
342   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
343   case CmpInst::FCMP_OLT:
344   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
345   case CmpInst::FCMP_OLE:
346   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
347   }
348
349   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
350   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
351   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
352   // now.
353   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
354
355   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
356   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
357     return;
358
359   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
360   if (IncValue == 0)
361     return;
362
363   // Positive and negative strides have different safety conditions.
364   if (IncValue > 0) {
365     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
366     // exit value.
367     if (InitValue >= ExitValue)
368       return;
369
370     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
371     // Check for infinite loop, either:
372     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
373     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
374       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
375     }
376
377     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
378
379     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
380     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
381     // around and do things the fp IV wouldn't.
382     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
383         Leftover != 0)
384       return;
385
386     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
387     // transform the IV.
388     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
389       return;
390
391   } else {
392     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
393     // exit value.
394     if (InitValue <= ExitValue)
395       return;
396
397     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
398     // Check for infinite loop, either:
399     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
400     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
401       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
402     }
403
404     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
405
406     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
407     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
408     // around and do things the fp IV wouldn't.
409     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
410         Leftover != 0)
411       return;
412
413     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
414     // transform the IV.
415     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
416       return;
417   }
418
419   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
420
421   // Insert new integer induction variable.
422   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
423   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
424                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
425
426   Value *NewAdd =
427     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
428                               Incr->getName()+".int", Incr);
429   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
430
431   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
432                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
433                                       Compare->getName());
434
435   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
436   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
437   WeakVH WeakPH = PN;
438
439   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
440   // new comparison.
441   NewCompare->takeName(Compare);
442   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
443   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
444
445   // Delete the old floating point increment.
446   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
447   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
448
449   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
450   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
451   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
452   // int->fp cast.
453   //
454   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
455   // platforms.
456   if (WeakPH) {
457     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
458                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
459     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
460     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
461   }
462   Changed = true;
463 }
464
465 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
466   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
467   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
468   // the SCEV routines.
469   //
470   BasicBlock *Header = L->getHeader();
471
472   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
473   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
474        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
475     PHIs.push_back(PN);
476
477   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
478     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
479       HandleFloatingPointIV(L, PN);
480
481   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
482   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
483   // re-writing, the trip count may be computable.
484   if (Changed)
485     SE->forgetLoop(L);
486 }
487
488 namespace {
489 // Collect information about PHI nodes which can be transformed in
490 // RewriteLoopExitValues.
491 struct RewritePhi {
492   PHINode *PN;
493   unsigned Ith;  // Ith incoming value.
494   Value *Val;    // Exit value after expansion.
495   bool HighCost; // High Cost when expansion.
496   bool SafePhi;  // LCSSASafePhiForRAUW.
497
498   RewritePhi(PHINode *P, unsigned I, Value *V, bool H, bool S)
499       : PN(P), Ith(I), Val(V), HighCost(H), SafePhi(S) {}
500 };
501 }
502
503 Value *IndVarSimplify::ExpandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S,
504                                           Loop *L, Instruction *InsertPt,
505                                           Type *ResultTy) {
506   // Before expanding S into an expensive LLVM expression, see if we can use an
507   // already existing value as the expansion for S.
508   if (Value *RetValue = Rewriter.findExistingExpansion(S, InsertPt, L))
509     return RetValue;
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 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
521 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
522 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
523 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
524 /// the loop that use the final values of the 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 /// CanLoopBeDeleted - Check whether it is possible to delete the loop after
704 /// rewriting exit value. If it is possible, ignore ReplaceExitValue and
705 /// do rewriting 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
769   // provides the input to WidenIV.
770   struct WideIVInfo {
771     PHINode *NarrowIV;
772     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
773     bool IsSigned;          // Was a sext user seen before a zext?
774
775     WideIVInfo() : NarrowIV(nullptr), WidestNativeType(nullptr),
776                    IsSigned(false) {}
777   };
778 }
779
780 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
781 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
782 /// the final width of the IV before actually widening it.
783 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
784                         const TargetTransformInfo *TTI) {
785   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
786   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
787     return;
788
789   Type *Ty = Cast->getType();
790   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
791   if (!Cast->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(Width))
792     return;
793
794   // Cast is either an sext or zext up to this point.
795   // We should not widen an indvar if arithmetics on the wider indvar are more
796   // expensive than those on the narrower indvar. We check only the cost of ADD
797   // because at least an ADD is required to increment the induction variable. We
798   // could compute more comprehensively the cost of all instructions on the
799   // induction variable when necessary.
800   if (TTI &&
801       TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add, Ty) >
802           TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add,
803                                       Cast->getOperand(0)->getType())) {
804     return;
805   }
806
807   if (!WI.WidestNativeType) {
808     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
809     WI.IsSigned = IsSigned;
810     return;
811   }
812
813   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
814   if (WI.IsSigned != IsSigned)
815     return;
816
817   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
818     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
819 }
820
821 namespace {
822
823 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
824 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
825 /// caching Use* pointers.
826 struct NarrowIVDefUse {
827   Instruction *NarrowDef;
828   Instruction *NarrowUse;
829   Instruction *WideDef;
830
831   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(nullptr), NarrowUse(nullptr), WideDef(nullptr) {}
832
833   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
834     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
835 };
836
837 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
838 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
839 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
840 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
841 ///
842 class WidenIV {
843   // Parameters
844   PHINode *OrigPhi;
845   Type *WideType;
846   bool IsSigned;
847
848   // Context
849   LoopInfo        *LI;
850   Loop            *L;
851   ScalarEvolution *SE;
852   DominatorTree   *DT;
853
854   // Result
855   PHINode *WidePhi;
856   Instruction *WideInc;
857   const SCEV *WideIncExpr;
858   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
859
860   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
861   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
862
863 public:
864   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
865           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
866           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
867     OrigPhi(WI.NarrowIV),
868     WideType(WI.WidestNativeType),
869     IsSigned(WI.IsSigned),
870     LI(LInfo),
871     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
872     SE(SEv),
873     DT(DTree),
874     WidePhi(nullptr),
875     WideInc(nullptr),
876     WideIncExpr(nullptr),
877     DeadInsts(DI) {
878     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
879   }
880
881   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
882
883 protected:
884   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
885                    Instruction *Use);
886
887   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
888
889   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
890
891   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
892
893   const SCEV *GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
894                               unsigned OpCode) const;
895
896   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
897
898   bool WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
899
900   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
901 };
902 } // anonymous namespace
903
904 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
905 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
906 /// gratuitous for this purpose.
907 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
908   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
909   if (!Inst)
910     return true;
911
912   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
913 }
914
915 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
916                           Instruction *Use) {
917   // Set the debug location and conservative insertion point.
918   IRBuilder<> Builder(Use);
919   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
920   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
921        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
922        L = L->getParentLoop())
923     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
924
925   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
926                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
927 }
928
929 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
930 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
931 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
932 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
933   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
934   switch (Opcode) {
935   default:
936     return nullptr;
937   case Instruction::Add:
938   case Instruction::Mul:
939   case Instruction::UDiv:
940   case Instruction::Sub:
941   case Instruction::And:
942   case Instruction::Or:
943   case Instruction::Xor:
944   case Instruction::Shl:
945   case Instruction::LShr:
946   case Instruction::AShr:
947     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
948
949     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
950     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
951     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
952     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
953     // WidenIVUse.
954     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
955       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
956     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
957       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
958
959     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
960     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
961                                                     LHS, RHS,
962                                                     NarrowBO->getName());
963     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
964     Builder.Insert(WideBO);
965     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
966         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 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting for further
1038 /// simplification after widening it's type? In other words, can the
1039 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
1040 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
1041 /// recurrence. Otherwise return NULL.
1042 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
1043   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
1044     return nullptr;
1045
1046   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
1047   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
1048       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
1049     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
1050     // index. So don't follow this use.
1051     return nullptr;
1052   }
1053
1054   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
1055     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
1056     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1057   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
1058   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1059     return nullptr;
1060   return AddRec;
1061 }
1062
1063 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
1064 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
1065 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
1066   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
1067         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
1068   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1069   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1070   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1071 }
1072
1073 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
1074 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
1075 // loop preheader as far as possible.
1076 bool WidenIV::WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
1077   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
1078   if (!Cmp)
1079     return false;
1080
1081   // Sign of IV user and compare must match.
1082   if (IsSigned != CmpInst::isSigned(Cmp->getPredicate()))
1083     return false;
1084
1085   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
1086   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
1087   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1088   assert (CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
1089
1090   // Widen the compare instruction.
1091   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1092   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1093
1094   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
1095   if (CastWidth < IVWidth) {
1096     Value *ExtOp = getExtend(Op, WideType, IsSigned, Cmp);
1097     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
1098   }
1099   return true;
1100 }
1101
1102 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
1103 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
1104 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
1105
1106   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
1107   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
1108     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
1109       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
1110       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
1111       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
1112       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
1113         truncateIVUse(DU, DT);
1114       else {
1115         PHINode *WidePhi =
1116           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
1117                           UsePhi);
1118         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
1119         IRBuilder<> Builder(WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
1120         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
1121         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
1122         DeadInsts.emplace_back(UsePhi);
1123         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
1124               << " to " << *WidePhi << "\n");
1125       }
1126       return nullptr;
1127     }
1128   }
1129   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1130   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1131     Value *NewDef = DU.WideDef;
1132     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1133       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1134       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1135       if (CastWidth < IVWidth) {
1136         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1137         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1138         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1139       }
1140       else {
1141         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1142         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1143         // dead. It should be very rare.
1144         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1145               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1146         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1147         NewDef = DU.NarrowUse;
1148       }
1149     }
1150     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1151       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1152             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1153       ++NumElimExt;
1154       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1155       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowUse);
1156     }
1157     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1158     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1159     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1160     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1161     // push the uses of WideDef here.
1162
1163     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1164     return nullptr;
1165   }
1166
1167   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1168   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1169   if (!WideAddRec)
1170     WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1171
1172   if (!WideAddRec) {
1173     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1174     // truncating the IV first.
1175     if (WidenLoopCompare(DU))
1176       return nullptr;
1177
1178     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1179     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1180     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1181     truncateIVUse(DU, DT);
1182     return nullptr;
1183   }
1184   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1185   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1186   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1187          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1188
1189   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1190   // NarrowUse.
1191   Instruction *WideUse = nullptr;
1192   if (WideAddRec == WideIncExpr
1193       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1194     WideUse = WideInc;
1195   else {
1196     WideUse = CloneIVUser(DU);
1197     if (!WideUse)
1198       return nullptr;
1199   }
1200   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1201   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1202   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1203   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1204   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1205   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1206     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1207           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1208     DeadInsts.emplace_back(WideUse);
1209     return nullptr;
1210   }
1211
1212   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1213   return WideUse;
1214 }
1215
1216 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1217 ///
1218 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1219   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1220     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1221
1222     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1223     if (!Widened.insert(NarrowUser).second)
1224       continue;
1225
1226     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUser, WideDef));
1227   }
1228 }
1229
1230 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1231 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1232 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1233 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1234 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1235 /// DeleteDeadPHIs.
1236 ///
1237 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1238 /// invalidating SCEV expressions.
1239 ///
1240 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1241   // Is this phi an induction variable?
1242   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1243   if (!AddRec)
1244     return nullptr;
1245
1246   // Widen the induction variable expression.
1247   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1248     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1249     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1250
1251   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1252          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1253
1254   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1255   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1256   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1257     return nullptr;
1258
1259   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1260   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1261   // operands, so they must dominate the loop header.
1262   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1263          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1264          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1265
1266   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1267   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1268   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1269   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1270   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1271   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1272
1273   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1274   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1275   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1276   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1277   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1278     WideInc =
1279       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1280     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1281   }
1282
1283   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1284   ++NumWidened;
1285
1286   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1287   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1288
1289   Widened.insert(OrigPhi);
1290   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1291
1292   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1293     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1294
1295     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1296     // use_iterator across it.
1297     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1298
1299     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1300     if (WideUse)
1301       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1302
1303     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1304     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1305       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowDef);
1306   }
1307   return WidePhi;
1308 }
1309
1310 //===----------------------------------------------------------------------===//
1311 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1312 //===----------------------------------------------------------------------===//
1313
1314
1315 //===----------------------------------------------------------------------===//
1316 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1317 //===----------------------------------------------------------------------===//
1318
1319 namespace {
1320   class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1321     ScalarEvolution *SE;
1322     const TargetTransformInfo *TTI;
1323     PHINode *IVPhi;
1324
1325   public:
1326     WideIVInfo WI;
1327
1328     IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1329                           const TargetTransformInfo *TTI,
1330                           const DominatorTree *DTree)
1331         : SE(SCEV), TTI(TTI), IVPhi(IV) {
1332       DT = DTree;
1333       WI.NarrowIV = IVPhi;
1334       if (ReduceLiveIVs)
1335         setSplitOverflowIntrinsics();
1336     }
1337
1338     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1339     void visitCast(CastInst *Cast) override { visitIVCast(Cast, WI, SE, TTI); }
1340   };
1341 }
1342
1343 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1344 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1345 /// themselves be candidates for simplification.
1346 ///
1347 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1348 ///
1349 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1350                                        SCEVExpander &Rewriter,
1351                                        LPPassManager &LPM) {
1352   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1353
1354   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1355   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1356     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1357   }
1358   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1359   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1360   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1361   // simplification on the wide IVs.
1362   while (!LoopPhis.empty()) {
1363     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1364     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1365     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1366     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1367     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1368     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1369     do {
1370       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1371
1372       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1373       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, TTI, DT);
1374
1375       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &Visitor);
1376
1377       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1378         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1379       }
1380     } while(!LoopPhis.empty());
1381
1382     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1383       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1384       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1385         Changed = true;
1386         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1387       }
1388     }
1389   }
1390 }
1391
1392 //===----------------------------------------------------------------------===//
1393 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1394 //===----------------------------------------------------------------------===//
1395
1396 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1397 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1398 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1399 ///
1400 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1401 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1402 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1403 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1404 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1405 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1406 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1407 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1408 /// into inequality tests.
1409 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE,
1410                                         SCEVExpander &Rewriter) {
1411   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1412   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1413       BackedgeTakenCount->isZero())
1414     return false;
1415
1416   if (!L->getExitingBlock())
1417     return false;
1418
1419   // Can't rewrite non-branch yet.
1420   if (!isa<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator()))
1421     return false;
1422
1423   if (Rewriter.isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, L))
1424     return false;
1425
1426   return true;
1427 }
1428
1429 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1430 /// invariant value to the phi.
1431 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1432   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1433   if (!IncI)
1434     return nullptr;
1435
1436   switch (IncI->getOpcode()) {
1437   case Instruction::Add:
1438   case Instruction::Sub:
1439     break;
1440   case Instruction::GetElementPtr:
1441     // An IV counter must preserve its type.
1442     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1443       break;
1444   default:
1445     return nullptr;
1446   }
1447
1448   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1449   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1450     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1451       return Phi;
1452     return nullptr;
1453   }
1454   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1455     return nullptr;
1456
1457   // Allow add/sub to be commuted.
1458   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1459   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1460     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1461       return Phi;
1462   }
1463   return nullptr;
1464 }
1465
1466 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1467 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1468   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1469
1470   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1471   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1472   if (!LatchBlock)
1473     return nullptr;
1474
1475   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1476   assert(BI && "expected exit branch");
1477
1478   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1479 }
1480
1481 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1482 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1483 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1484   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1485   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1486   if (!Cond)
1487     return true;
1488
1489   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1490   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1491   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1492     return true;
1493
1494   // Look for a loop invariant RHS
1495   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1496   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1497   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1498     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1499       return true;
1500     std::swap(LHS, RHS);
1501   }
1502   // Look for a simple IV counter LHS
1503   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1504   if (!Phi)
1505     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1506
1507   if (!Phi)
1508     return true;
1509
1510   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1511   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1512   if (Idx < 0)
1513     return true;
1514
1515   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1516   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1517   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1518 }
1519
1520 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1521 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1522 /// that may hide undef.
1523 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1524                                unsigned Depth) {
1525   if (isa<Constant>(V))
1526     return !isa<UndefValue>(V);
1527
1528   if (Depth >= 6)
1529     return false;
1530
1531   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1532   // may be undef.
1533   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1534   if (!I)
1535     return false;
1536
1537   // Load and return values may be undef.
1538   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1539     return false;
1540
1541   // Optimistically handle other instructions.
1542   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1543     if (!Visited.insert(*OI).second)
1544       continue;
1545     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1546       return false;
1547   }
1548   return true;
1549 }
1550
1551 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1552 /// never reach it.
1553 ///
1554 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1555 /// may factor it into a common location.
1556 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1557   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1558   Visited.insert(V);
1559   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1560 }
1561
1562 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1563 /// be rewritten) loop exit test.
1564 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1565   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1566   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1567
1568   for (User *U : Phi->users())
1569     if (U != Cond && U != IncV) return false;
1570
1571   for (User *U : IncV->users())
1572     if (U != Cond && U != Phi) return false;
1573   return true;
1574 }
1575
1576 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1577 ///
1578 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1579 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1580 /// expression as far as SCEV is concerned.
1581 ///
1582 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1583 ///
1584 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1585 ///
1586 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1587 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1588 /// could at least handle constant BECounts.
1589 static PHINode *FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1590                                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT) {
1591   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1592
1593   Value *Cond =
1594     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1595
1596   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1597   PHINode *BestPhi = nullptr;
1598   const SCEV *BestInit = nullptr;
1599   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1600   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1601
1602   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1603     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1604     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1605       continue;
1606
1607     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1608     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1609       continue;
1610
1611     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1612     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1613       continue;
1614
1615     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1616     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1617     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1618     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1619     if (PhiWidth < BCWidth ||
1620         !L->getHeader()->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(PhiWidth))
1621       continue;
1622
1623     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1624     if (!Step || !Step->isOne())
1625       continue;
1626
1627     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1628     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1629     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1630       continue;
1631
1632     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1633     // have originally had a concrete definition.
1634     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1635       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1636       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1637       // increase the number of undef users.
1638       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1639         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1640             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1641           continue;
1642         }
1643       }
1644     }
1645     const SCEV *Init = AR->getStart();
1646
1647     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1648       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1649       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1650         continue;
1651
1652       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1653       // also prefers integer to pointer IVs.
1654       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1655         if (BestInit->isZero())
1656           continue;
1657       }
1658       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1659       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1660       // to allow the other to be eliminated.
1661       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1662         continue;
1663     }
1664     BestPhi = Phi;
1665     BestInit = Init;
1666   }
1667   return BestPhi;
1668 }
1669
1670 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1671 /// holds the RHS of the new loop test.
1672 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1673                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1674   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1675   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1676   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1677
1678   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1679   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1680   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1681   // the existing GEPs whenever possible.
1682   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1683       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1684
1685     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1686     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1687     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1688     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1689     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1690     // extend IVCount.
1691     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1692     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1693
1694     // Expand the code for the iteration count.
1695     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1696            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1697     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1698     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1699
1700     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1701     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1702     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1703     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1704     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1705              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1706            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1707
1708     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1709     return Builder.CreateGEP(nullptr, GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1710   }
1711   else {
1712     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1713     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1714     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1715     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1716     //
1717     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1718     // for simple memset-style loops.
1719     //
1720     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1721     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1722
1723     const SCEV *IVLimit = nullptr;
1724     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1725     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1726     if (AR->getStart()->isZero())
1727       IVLimit = IVCount;
1728     else {
1729       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1730       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1731
1732       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1733       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1734           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1735         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1736
1737       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1738     }
1739     // Expand the code for the iteration count.
1740     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1741     IRBuilder<> Builder(BI);
1742     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1743            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1744     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1745     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1746     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1747     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1748       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1749     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1750   }
1751 }
1752
1753 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1754 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1755 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1756 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1757 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1758 Value *IndVarSimplify::
1759 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1760                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1761                           PHINode *IndVar,
1762                           SCEVExpander &Rewriter) {
1763   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && "precondition");
1764
1765   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1766   Value *CmpIndVar = IndVar;
1767   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1768
1769   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1770   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1771   // against the preincremented value.
1772   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1773     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1774     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1775     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1776     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1777                              SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
1778     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1779     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1780     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1781     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1782   }
1783
1784   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1785   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1786          && "genLoopLimit missed a cast");
1787
1788   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1789   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1790   ICmpInst::Predicate P;
1791   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1792     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1793   else
1794     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1795
1796   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1797                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1798                << "       op:\t"
1799                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1800                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1801                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1802
1803   IRBuilder<> Builder(BI);
1804
1805   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1806   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1807   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1808   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1809   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1810     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1811     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1812     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1813     // For constant IVCount, avoid truncation.
1814     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1815       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1816       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1817       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1818       // above such that IVCount is now zero.
1819       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1820         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1821         ++Count;
1822       }
1823       else
1824         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1825       APInt NewLimit;
1826       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1827         NewLimit = Start - Count;
1828       else
1829         NewLimit = Start + Count;
1830       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1831
1832       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1833     } else {
1834       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1835                                       "lftr.wideiv");
1836     }
1837   }
1838   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1839   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1840   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1841   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1842   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1843   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1844   // will make old comparison dead.
1845   BI->setCondition(Cond);
1846   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1847
1848   ++NumLFTR;
1849   Changed = true;
1850   return Cond;
1851 }
1852
1853 //===----------------------------------------------------------------------===//
1854 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1855 //===----------------------------------------------------------------------===//
1856
1857 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1858 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1859 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1860 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1861   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1862   if (!ExitBlock) return;
1863
1864   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1865   if (!Preheader) return;
1866
1867   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1868   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1869   while (I != Preheader->begin()) {
1870     --I;
1871     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1872     if (isa<PHINode>(I))
1873       break;
1874
1875     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1876     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1877     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1878     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1879     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1880     // block.
1881     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1882       continue;
1883
1884     // Skip debug info intrinsics.
1885     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1886       continue;
1887
1888     // Skip landingpad instructions.
1889     if (isa<LandingPadInst>(I))
1890       continue;
1891
1892     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1893     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1894     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1895     // FIXME: Refactor this check somehow?
1896     if (isa<AllocaInst>(I))
1897       continue;
1898
1899     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1900     // otherwise).
1901     bool UsedInLoop = false;
1902     for (Use &U : I->uses()) {
1903       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
1904       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
1905       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
1906         unsigned i =
1907           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
1908         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1909       }
1910       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1911         UsedInLoop = true;
1912         break;
1913       }
1914     }
1915
1916     // If there is, the def must remain in the preheader.
1917     if (UsedInLoop)
1918       continue;
1919
1920     // Otherwise, sink it to the exit block.
1921     Instruction *ToMove = I;
1922     bool Done = false;
1923
1924     if (I != Preheader->begin()) {
1925       // Skip debug info intrinsics.
1926       do {
1927         --I;
1928       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1929
1930       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1931         Done = true;
1932     } else {
1933       Done = true;
1934     }
1935
1936     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1937     if (Done) break;
1938     InsertPt = ToMove;
1939   }
1940 }
1941
1942 //===----------------------------------------------------------------------===//
1943 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1944 //===----------------------------------------------------------------------===//
1945
1946 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1947   if (skipOptnoneFunction(L))
1948     return false;
1949
1950   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1951   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1952   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1953   //    afterwards.
1954   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1955   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1956   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1957   //    we've manually inserted one.
1958   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1959     return false;
1960
1961   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1962   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1963   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1964   auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1965   TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
1966   auto *TTIP = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfoWrapperPass>();
1967   TTI = TTIP ? &TTIP->getTTI(*L->getHeader()->getParent()) : nullptr;
1968   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1969
1970   DeadInsts.clear();
1971   Changed = false;
1972
1973   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1974   // transform them to use integer recurrences.
1975   RewriteNonIntegerIVs(L);
1976
1977   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1978
1979   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1980   SCEVExpander Rewriter(*SE, DL, "indvars");
1981 #ifndef NDEBUG
1982   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1983 #endif
1984
1985   // Eliminate redundant IV users.
1986   //
1987   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1988   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1989   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1990   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1991   Rewriter.disableCanonicalMode();
1992   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1993
1994   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1995   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1996   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1997   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1998   // the current expressions.
1999   //
2000   if (ReplaceExitValue != NeverRepl &&
2001       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2002     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
2003
2004   // Eliminate redundant IV cycles.
2005   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
2006
2007   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
2008   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
2009   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && needsLFTR(L, DT)) {
2010     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT);
2011     if (IndVar) {
2012       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
2013       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
2014       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
2015       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
2016       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
2017       //
2018       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
2019       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
2020       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
2021       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
2022         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
2023                                         Rewriter);
2024     }
2025   }
2026   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
2027   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
2028   // trigger.
2029   Rewriter.clear();
2030
2031   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
2032   // which are now dead.
2033   while (!DeadInsts.empty())
2034     if (Instruction *Inst =
2035             dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
2036       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
2037
2038   // The Rewriter may not be used from this point on.
2039
2040   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
2041   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
2042   SinkUnusedInvariants(L);
2043
2044   // Clean up dead instructions.
2045   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
2046   // Check a post-condition.
2047   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
2048          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
2049
2050   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
2051   // ability to compute trip count.
2052 #ifndef NDEBUG
2053   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
2054     SE->forgetLoop(L);
2055     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2056     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2057         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2058       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2059                                          BackedgeTakenCount->getType());
2060     else
2061       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2062                                                  NewBECount->getType());
2063     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2064   }
2065 #endif
2066
2067   return Changed;
2068 }