indvars: sink truncates outside the loop.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
15 // changes:
16 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
17 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
18 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
19 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
20 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
21 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
22 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
23 //      expression, this transformation will make the loop dead.
24 //
25 //===----------------------------------------------------------------------===//
26
27 #define DEBUG_TYPE "indvars"
28 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
29 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
31 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
32 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
33 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
34 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
35 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
36 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
37 #include "llvm/IR/Constants.h"
38 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
39 #include "llvm/IR/Instructions.h"
40 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
41 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
42 #include "llvm/IR/Type.h"
43 #include "llvm/Support/CFG.h"
44 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
45 #include "llvm/Support/Debug.h"
46 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
47 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
48 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
50 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
54 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
55 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
56 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
57 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
58
59 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
60 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
61 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
62 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
63   "verify-indvars", cl::Hidden,
64   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
65
66 static cl::opt<bool> ReduceLiveIVs("liv-reduce", cl::Hidden,
67   cl::desc("Reduce live induction variables."));
68
69 namespace {
70   class IndVarSimplify : public LoopPass {
71     LoopInfo        *LI;
72     ScalarEvolution *SE;
73     DominatorTree   *DT;
74     DataLayout      *TD;
75     TargetLibraryInfo *TLI;
76
77     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
78     bool Changed;
79   public:
80
81     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
82     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), LI(0), SE(0), DT(0), TD(0),
83                        Changed(false) {
84       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
85     }
86
87     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
88
89     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
90       AU.addRequired<DominatorTree>();
91       AU.addRequired<LoopInfo>();
92       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
93       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
94       AU.addRequiredID(LCSSAID);
95       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
96       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
97       AU.addPreservedID(LCSSAID);
98       AU.setPreservesCFG();
99     }
100
101   private:
102     virtual void releaseMemory() {
103       DeadInsts.clear();
104     }
105
106     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
107
108     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
109     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
110
111     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
112
113     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
114
115     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
116                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
117
118     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
119   };
120 }
121
122 char IndVarSimplify::ID = 0;
123 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
124                 "Induction Variable Simplification", false, false)
125 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
126 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
127 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
128 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
129 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
130 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
131                 "Induction Variable Simplification", false, false)
132
133 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
134   return new IndVarSimplify();
135 }
136
137 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
138 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
139 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
140 /// Ideally, this function will only be called for verification.
141 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
142   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
143   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
144   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
145   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
146   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
147   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
148   // bail out here.
149   //
150   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
151   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
152   Value *FromPtr = FromVal;
153   Value *ToPtr = ToVal;
154   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
155     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
156   }
157   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
158     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
159   }
160   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
161     // Quickly check the common case
162     if (FromPtr == ToPtr)
163       return true;
164
165     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
166     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
167     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
168     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
169     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
170     // indexed by an integer recurrence.
171
172     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
173     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
174       return false;
175
176     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
177     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
178     if (FromBase == ToBase)
179       return true;
180
181     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
182           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
183
184     return false;
185   }
186   return true;
187 }
188
189 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
190 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
191 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
192 /// common dominator for the incoming blocks.
193 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
194                                           DominatorTree *DT) {
195   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
196   if (!PHI)
197     return User;
198
199   Instruction *InsertPt = 0;
200   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
201     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
202       continue;
203
204     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
205     if (!InsertPt) {
206       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
207       continue;
208     }
209     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
210     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
211   }
212   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
213   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
214           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
215          "def does not dominate all uses");
216   return InsertPt;
217 }
218
219 //===----------------------------------------------------------------------===//
220 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
221 //===----------------------------------------------------------------------===//
222
223 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
224 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
225   bool isExact = false;
226   // See if we can convert this to an int64_t
227   uint64_t UIntVal;
228   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
229                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
230     return false;
231   IntVal = UIntVal;
232   return true;
233 }
234
235 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
236 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
237 /// For example,
238 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
239 ///   bar(i)
240 /// is converted into
241 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
242 ///   bar((double)i);
243 ///
244 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
245   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
246   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
247
248   // Check incoming value.
249   ConstantFP *InitValueVal =
250     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
251
252   int64_t InitValue;
253   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
254     return;
255
256   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
257   // an add or increment value can not be represented by an integer.
258   BinaryOperator *Incr =
259     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
260   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
261
262   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
263   // is not an integer, bail out.
264   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
265   int64_t IncValue;
266   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
267       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
268     return;
269
270   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
271   // used by the conditional terminator.
272   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
273   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
274   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
275   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
276   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
277
278   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
279   // only used by a branch, we can't transform it.
280   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
281   if (!Compare)
282     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
283   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
284       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
285     return;
286
287   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
288
289   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
290   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
291   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
292   // of the loop.
293   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
294   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
295       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
296        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
297     return;
298
299
300   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
301   // transform it.
302   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
303   int64_t ExitValue;
304   if (ExitValueVal == 0 ||
305       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
306     return;
307
308   // Find new predicate for integer comparison.
309   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
310   switch (Compare->getPredicate()) {
311   default: return;  // Unknown comparison.
312   case CmpInst::FCMP_OEQ:
313   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
314   case CmpInst::FCMP_ONE:
315   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
316   case CmpInst::FCMP_OGT:
317   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
318   case CmpInst::FCMP_OGE:
319   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
320   case CmpInst::FCMP_OLT:
321   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
322   case CmpInst::FCMP_OLE:
323   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
324   }
325
326   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
327   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
328   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
329   // now.
330   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
331
332   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
333   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
334     return;
335
336   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
337   if (IncValue == 0)
338     return;
339
340   // Positive and negative strides have different safety conditions.
341   if (IncValue > 0) {
342     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
343     // exit value.
344     if (InitValue >= ExitValue)
345       return;
346
347     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
348     // Check for infinite loop, either:
349     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
350     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
351       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
352     }
353
354     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
355
356     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
357     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
358     // around and do things the fp IV wouldn't.
359     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
360         Leftover != 0)
361       return;
362
363     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
364     // transform the IV.
365     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
366       return;
367
368   } else {
369     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
370     // exit value.
371     if (InitValue <= ExitValue)
372       return;
373
374     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
375     // Check for infinite loop, either:
376     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
377     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
378       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
379     }
380
381     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
382
383     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
384     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
385     // around and do things the fp IV wouldn't.
386     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
387         Leftover != 0)
388       return;
389
390     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
391     // transform the IV.
392     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
393       return;
394   }
395
396   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
397
398   // Insert new integer induction variable.
399   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
400   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
401                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
402
403   Value *NewAdd =
404     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
405                               Incr->getName()+".int", Incr);
406   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
407
408   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
409                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
410                                       Compare->getName());
411
412   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
413   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
414   WeakVH WeakPH = PN;
415
416   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
417   // new comparison.
418   NewCompare->takeName(Compare);
419   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
420   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
421
422   // Delete the old floating point increment.
423   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
424   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
425
426   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
427   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
428   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
429   // int->fp cast.
430   //
431   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
432   // platforms.
433   if (WeakPH) {
434     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
435                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
436     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
437     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
438   }
439   Changed = true;
440 }
441
442 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
443   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
444   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
445   // the SCEV routines.
446   //
447   BasicBlock *Header = L->getHeader();
448
449   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
450   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
451        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
452     PHIs.push_back(PN);
453
454   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
455     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
456       HandleFloatingPointIV(L, PN);
457
458   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
459   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
460   // re-writing, the trip count may be computable.
461   if (Changed)
462     SE->forgetLoop(L);
463 }
464
465 //===----------------------------------------------------------------------===//
466 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
467 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
468 //===----------------------------------------------------------------------===//
469
470 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
471 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
472 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
473 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
474 /// the loop that use the final values of the current expressions.
475 ///
476 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
477 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
478 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
479 /// constant operands at the beginning of the loop.
480 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
481   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
482   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
483
484   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
485   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
486
487   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
488   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
489   // the exit blocks of the loop to find them.
490   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
491     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
492
493     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
494     // inside the loop are used on this path, skip it.
495     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
496     if (!PN) continue;
497
498     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
499
500     // Iterate over all of the PHI nodes.
501     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
502     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
503       if (PN->use_empty())
504         continue; // dead use, don't replace it
505
506       // SCEV only supports integer expressions for now.
507       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
508         continue;
509
510       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
511       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
512       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
513       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
514       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
515       SE->forgetValue(PN);
516
517       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
518       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
519         // If the value being merged in is not integer or is not defined
520         // in the loop, skip it.
521         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
522         if (!isa<Instruction>(InVal))
523           continue;
524
525         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
526         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
527           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
528
529         // Check that InVal is defined in the loop.
530         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
531         if (!L->contains(Inst))
532           continue;
533
534         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
535         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
536         // contains when the loop exits, if possible.
537         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
538         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
539             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
540           continue;
541
542         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
543         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
544         //    optimized away.
545         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
546         //    computation out of the loop
547         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
548           unsigned NumHardInternalUses = 0;
549           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
550           unsigned NumUses = 0;
551           for (Value::use_iterator IB=Inst->use_begin(), IE=Inst->use_end();
552                IB!=IE && NumUses<=6 ; ++IB) {
553             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
554             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
555             NumUses++;
556             if (L->contains(UseInstr)) {
557               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
558                 NumHardInternalUses++;
559             } else {
560               if (Opc == Instruction::PHI) {
561                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
562                 // plenty of trivial ones.
563                 NumUses--;
564                 for (Value::use_iterator PB=UseInstr->use_begin(),
565                                          PE=UseInstr->use_end();
566                      PB!=PE && NumUses<=6 ; ++PB, ++NumUses) {
567                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
568                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
569                     NumSoftExternalUses++;
570                 }
571                 continue;
572               }
573               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
574                 NumSoftExternalUses++;
575             }
576           }
577           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
578             continue;
579         }
580
581         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
582
583         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
584                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
585
586         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
587           DeadInsts.push_back(ExitVal);
588           continue;
589         }
590         Changed = true;
591         ++NumReplaced;
592
593         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
594
595         // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
596         // invalidating iterators.
597         if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
598           DeadInsts.push_back(Inst);
599
600         if (NumPreds == 1) {
601           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
602           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
603           // node anymore.
604           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
605           PN->eraseFromParent();
606         }
607       }
608       if (NumPreds != 1) {
609         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
610         // any other maps purge the original user from their records.
611         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
612         NewPN->takeName(PN);
613         NewPN->insertBefore(PN);
614         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
615         PN->eraseFromParent();
616       }
617     }
618   }
619
620   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
621   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
622   Rewriter.clearInsertPoint();
623 }
624
625 //===----------------------------------------------------------------------===//
626 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
627 //===----------------------------------------------------------------------===//
628
629 namespace {
630   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
631   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
632   // provides the input to WidenIV.
633   struct WideIVInfo {
634     PHINode *NarrowIV;
635     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
636     bool IsSigned;          // Was an sext user seen before a zext?
637
638     WideIVInfo() : NarrowIV(0), WidestNativeType(0), IsSigned(false) {}
639   };
640 }
641
642 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
643 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
644 /// the final width of the IV before actually widening it.
645 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
646                         const DataLayout *TD) {
647   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
648   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
649     return;
650
651   Type *Ty = Cast->getType();
652   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
653   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
654     return;
655
656   if (!WI.WidestNativeType) {
657     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
658     WI.IsSigned = IsSigned;
659     return;
660   }
661
662   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
663   if (WI.IsSigned != IsSigned)
664     return;
665
666   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
667     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
668 }
669
670 namespace {
671
672 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
673 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
674 /// caching Use* pointers.
675 struct NarrowIVDefUse {
676   Instruction *NarrowDef;
677   Instruction *NarrowUse;
678   Instruction *WideDef;
679
680   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(0), NarrowUse(0), WideDef(0) {}
681
682   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
683     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
684 };
685
686 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
687 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
688 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
689 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
690 ///
691 class WidenIV {
692   // Parameters
693   PHINode *OrigPhi;
694   Type *WideType;
695   bool IsSigned;
696
697   // Context
698   LoopInfo        *LI;
699   Loop            *L;
700   ScalarEvolution *SE;
701   DominatorTree   *DT;
702
703   // Result
704   PHINode *WidePhi;
705   Instruction *WideInc;
706   const SCEV *WideIncExpr;
707   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
708
709   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
710   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
711
712 public:
713   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
714           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
715           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
716     OrigPhi(WI.NarrowIV),
717     WideType(WI.WidestNativeType),
718     IsSigned(WI.IsSigned),
719     LI(LInfo),
720     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
721     SE(SEv),
722     DT(DTree),
723     WidePhi(0),
724     WideInc(0),
725     WideIncExpr(0),
726     DeadInsts(DI) {
727     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
728   }
729
730   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
731
732 protected:
733   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
734                    Instruction *Use);
735
736   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
737
738   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
739
740   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
741
742   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
743
744   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
745 };
746 } // anonymous namespace
747
748 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
749 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
750 /// gratuitous for this purpose.
751 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
752   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
753   if (!Inst)
754     return true;
755
756   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
757 }
758
759 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
760                           Instruction *Use) {
761   // Set the debug location and conservative insertion point.
762   IRBuilder<> Builder(Use);
763   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
764   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
765        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
766        L = L->getParentLoop())
767     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
768
769   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
770                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
771 }
772
773 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
774 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
775 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
776 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
777   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
778   switch (Opcode) {
779   default:
780     return 0;
781   case Instruction::Add:
782   case Instruction::Mul:
783   case Instruction::UDiv:
784   case Instruction::Sub:
785   case Instruction::And:
786   case Instruction::Or:
787   case Instruction::Xor:
788   case Instruction::Shl:
789   case Instruction::LShr:
790   case Instruction::AShr:
791     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
792
793     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
794     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
795     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
796     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
797     // WidenIVUse.
798     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
799       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
800     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
801       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
802
803     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
804     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
805                                                     LHS, RHS,
806                                                     NarrowBO->getName());
807     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
808     Builder.Insert(WideBO);
809     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
810         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
811       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
812       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
813     }
814     return WideBO;
815   }
816 }
817
818 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
819 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
820 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
821 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
822 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
823   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
824   if (DU.NarrowUse->getOpcode() != Instruction::Add)
825     return 0;
826
827   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
828   // if extending the other will lead to a recurrence.
829   unsigned ExtendOperIdx = DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
830   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
831
832   const SCEV *ExtendOperExpr = 0;
833   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
834     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
835   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
836     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
837       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
838   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
839     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
840       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
841   else
842     return 0;
843
844   // When creating this AddExpr, don't apply the current operations NSW or NUW
845   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
846   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
847   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
848   // semantics to those operations.
849   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(
850     SE->getAddExpr(SE->getSCEV(DU.WideDef), ExtendOperExpr));
851
852   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
853     return 0;
854   return AddRec;
855 }
856
857 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
858 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
859 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
860 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
861 /// recurrence. Otherwise return NULL.
862 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
863   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
864     return 0;
865
866   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
867   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
868       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
869     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
870     // index. So don't follow this use.
871     return 0;
872   }
873
874   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
875     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
876     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
877   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
878   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
879     return 0;
880   return AddRec;
881 }
882
883 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
884 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
885 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
886   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
887         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
888   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
889   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
890   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
891 }
892
893 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
894 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
895 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
896
897   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
898   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
899     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
900       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
901       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
902       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
903       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
904         truncateIVUse(DU, DT);
905       else {
906         PHINode *WidePhi =
907           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
908                           UsePhi);
909         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
910         IRBuilder<> Builder(WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
911         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
912         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
913         DeadInsts.push_back(UsePhi);
914         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
915               << " to " << *WidePhi << "\n");
916       }
917       return 0;
918     }
919   }
920   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
921   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
922     Value *NewDef = DU.WideDef;
923     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
924       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
925       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
926       if (CastWidth < IVWidth) {
927         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
928         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
929         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
930       }
931       else {
932         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
933         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
934         // dead. It should be very rare.
935         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
936               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
937         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
938         NewDef = DU.NarrowUse;
939       }
940     }
941     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
942       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
943             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
944       ++NumElimExt;
945       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
946       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
947     }
948     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
949     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
950     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
951     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
952     // push the uses of WideDef here.
953
954     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
955     return 0;
956   }
957
958   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
959   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
960   if (!WideAddRec) {
961       WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
962   }
963   if (!WideAddRec) {
964     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
965     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
966     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
967     truncateIVUse(DU, DT);
968     return 0;
969   }
970   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
971   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
972   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
973          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
974
975   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
976   // NarrowUse.
977   Instruction *WideUse = 0;
978   if (WideAddRec == WideIncExpr
979       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
980     WideUse = WideInc;
981   else {
982     WideUse = CloneIVUser(DU);
983     if (!WideUse)
984       return 0;
985   }
986   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
987   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
988   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
989   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
990   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
991   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
992     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
993           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
994     DeadInsts.push_back(WideUse);
995     return 0;
996   }
997
998   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
999   return WideUse;
1000 }
1001
1002 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1003 ///
1004 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1005   for (Value::use_iterator UI = NarrowDef->use_begin(),
1006          UE = NarrowDef->use_end(); UI != UE; ++UI) {
1007     Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(*UI);
1008
1009     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1010     if (!Widened.insert(NarrowUse))
1011       continue;
1012
1013     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUse, WideDef));
1014   }
1015 }
1016
1017 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1018 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1019 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1020 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1021 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1022 /// DeleteDeadPHIs.
1023 ///
1024 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1025 /// invalidating SCEV expressions.
1026 ///
1027 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1028   // Is this phi an induction variable?
1029   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1030   if (!AddRec)
1031     return NULL;
1032
1033   // Widen the induction variable expression.
1034   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1035     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1036     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1037
1038   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1039          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1040
1041   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1042   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1043   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1044     return NULL;
1045
1046   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1047   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1048   // operands, so they must dominate the loop header.
1049   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1050          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1051          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1052
1053   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1054   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1055   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1056   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1057   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1058   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1059
1060   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1061   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1062   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1063   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1064   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1065     WideInc =
1066       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1067     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1068   }
1069
1070   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1071   ++NumWidened;
1072
1073   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1074   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1075
1076   Widened.insert(OrigPhi);
1077   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1078
1079   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1080     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1081
1082     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1083     // use_iterator across it.
1084     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1085
1086     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1087     if (WideUse)
1088       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1089
1090     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1091     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1092       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1093   }
1094   return WidePhi;
1095 }
1096
1097 //===----------------------------------------------------------------------===//
1098 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1099 //===----------------------------------------------------------------------===//
1100
1101
1102 //===----------------------------------------------------------------------===//
1103 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1104 //===----------------------------------------------------------------------===//
1105
1106 namespace {
1107   class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1108     ScalarEvolution *SE;
1109     const DataLayout *TD;
1110     PHINode *IVPhi;
1111
1112   public:
1113     WideIVInfo WI;
1114
1115     IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1116                           const DataLayout *TData, const DominatorTree *DTree):
1117       SE(SCEV), TD(TData), IVPhi(IV) {
1118       DT = DTree;
1119       WI.NarrowIV = IVPhi;
1120       if (ReduceLiveIVs)
1121         setSplitOverflowIntrinsics();
1122     }
1123
1124     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1125     virtual void visitCast(CastInst *Cast) { visitIVCast(Cast, WI, SE, TD); }
1126   };
1127 }
1128
1129 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1130 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1131 /// themselves be candidates for simplification.
1132 ///
1133 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1134 ///
1135 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1136                                        SCEVExpander &Rewriter,
1137                                        LPPassManager &LPM) {
1138   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1139
1140   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1141   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1142     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1143   }
1144   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1145   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1146   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1147   // simplification on the wide IVs.
1148   while (!LoopPhis.empty()) {
1149     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1150     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1151     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1152     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1153     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1154     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1155     do {
1156       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1157
1158       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1159       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, TD, DT);
1160
1161       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &Visitor);
1162
1163       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1164         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1165       }
1166     } while(!LoopPhis.empty());
1167
1168     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1169       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1170       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1171         Changed = true;
1172         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1173       }
1174     }
1175   }
1176 }
1177
1178 //===----------------------------------------------------------------------===//
1179 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1180 //===----------------------------------------------------------------------===//
1181
1182 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1183 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1184 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1185 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1186                                 SmallPtrSet<const SCEV*, 8> &Processed,
1187                                 ScalarEvolution *SE) {
1188   if (!Processed.insert(S))
1189     return false;
1190
1191   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1192   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1193   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1194   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1195   // forego rewriting the loop.
1196   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1197     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1198     if (!OrigCond) return true;
1199     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1200     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1201     if (R != S) {
1202       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1203       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1204       if (L != S)
1205         return true;
1206     }
1207   }
1208
1209   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1210   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1211   // they are not too expensive rematerialize.
1212   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1213     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1214          I != E; ++I) {
1215       if (isHighCostExpansion(*I, BI, Processed, SE))
1216         return true;
1217     }
1218     return false;
1219   }
1220
1221   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1222   // the exit condition.
1223   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1224     return true;
1225
1226   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1227   // expression produced by program code.
1228   return false;
1229 }
1230
1231 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1232 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1233 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1234 ///
1235 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1236 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1237 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1238 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1239 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1240 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1241 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1242 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1243 /// into inequality tests.
1244 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1245   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1246   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1247       BackedgeTakenCount->isZero())
1248     return false;
1249
1250   if (!L->getExitingBlock())
1251     return false;
1252
1253   // Can't rewrite non-branch yet.
1254   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1255   if (!BI)
1256     return false;
1257
1258   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
1259   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, Processed, SE))
1260     return false;
1261
1262   return true;
1263 }
1264
1265 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1266 /// invariant value to the phi.
1267 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1268   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1269   if (!IncI)
1270     return 0;
1271
1272   switch (IncI->getOpcode()) {
1273   case Instruction::Add:
1274   case Instruction::Sub:
1275     break;
1276   case Instruction::GetElementPtr:
1277     // An IV counter must preserve its type.
1278     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1279       break;
1280   default:
1281     return 0;
1282   }
1283
1284   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1285   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1286     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1287       return Phi;
1288     return 0;
1289   }
1290   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1291     return 0;
1292
1293   // Allow add/sub to be commuted.
1294   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1295   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1296     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1297       return Phi;
1298   }
1299   return 0;
1300 }
1301
1302 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1303 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1304   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1305
1306   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1307   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1308   if (!LatchBlock)
1309     return 0;
1310
1311   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1312   assert(BI && "expected exit branch");
1313
1314   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1315 }
1316
1317 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1318 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1319 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1320   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1321   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1322   if (!Cond)
1323     return true;
1324
1325   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1326   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1327   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1328     return true;
1329
1330   // Look for a loop invariant RHS
1331   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1332   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1333   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1334     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1335       return true;
1336     std::swap(LHS, RHS);
1337   }
1338   // Look for a simple IV counter LHS
1339   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1340   if (!Phi)
1341     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1342
1343   if (!Phi)
1344     return true;
1345
1346   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1347   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1348   if (Idx < 0)
1349     return true;
1350
1351   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1352   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1353   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1354 }
1355
1356 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1357 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1358 /// that may hide undef.
1359 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSet<Value*, 8> &Visited,
1360                                unsigned Depth) {
1361   if (isa<Constant>(V))
1362     return !isa<UndefValue>(V);
1363
1364   if (Depth >= 6)
1365     return false;
1366
1367   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1368   // may be undef.
1369   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1370   if (!I)
1371     return false;
1372
1373   // Load and return values may be undef.
1374   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1375     return false;
1376
1377   // Optimistically handle other instructions.
1378   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1379     if (!Visited.insert(*OI))
1380       continue;
1381     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1382       return false;
1383   }
1384   return true;
1385 }
1386
1387 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1388 /// never reach it.
1389 ///
1390 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1391 /// may factor it into a common location.
1392 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1393   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1394   Visited.insert(V);
1395   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1396 }
1397
1398 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1399 /// be rewritten) loop exit test.
1400 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1401   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1402   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1403
1404   for (Value::use_iterator UI = Phi->use_begin(), UE = Phi->use_end();
1405        UI != UE; ++UI) {
1406     if (*UI != Cond && *UI != IncV) return false;
1407   }
1408
1409   for (Value::use_iterator UI = IncV->use_begin(), UE = IncV->use_end();
1410        UI != UE; ++UI) {
1411     if (*UI != Cond && *UI != Phi) return false;
1412   }
1413   return true;
1414 }
1415
1416 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1417 ///
1418 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1419 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1420 /// expression as far as SCEV is concerned.
1421 ///
1422 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1423 ///
1424 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1425 ///
1426 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1427 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1428 /// could at least handle constant BECounts.
1429 static PHINode *
1430 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1431                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const DataLayout *TD) {
1432   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1433
1434   Value *Cond =
1435     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1436
1437   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1438   PHINode *BestPhi = 0;
1439   const SCEV *BestInit = 0;
1440   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1441   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1442
1443   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1444     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1445     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1446       continue;
1447
1448     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1449     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1450       continue;
1451
1452     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1453     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1454       continue;
1455
1456     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1457     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1458     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1459     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1460     if (PhiWidth < BCWidth || (TD && !TD->isLegalInteger(PhiWidth)))
1461       continue;
1462
1463     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1464     if (!Step || !Step->isOne())
1465       continue;
1466
1467     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1468     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1469     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1470       continue;
1471
1472     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1473     // have originally had a concrete definition.
1474     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1475       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1476       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1477       // increase the number of undef users.
1478       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1479         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1480             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1481           continue;
1482         }
1483       }
1484     }
1485     const SCEV *Init = AR->getStart();
1486
1487     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1488       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1489       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1490         continue;
1491
1492       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1493       // also prefers integer to pointer IVs.
1494       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1495         if (BestInit->isZero())
1496           continue;
1497       }
1498       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1499       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1500       // to allow the other to be eliminated.
1501       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1502         continue;
1503     }
1504     BestPhi = Phi;
1505     BestInit = Init;
1506   }
1507   return BestPhi;
1508 }
1509
1510 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1511 /// holds the RHS of the new loop test.
1512 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1513                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1514   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1515   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1516   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1517
1518   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1519   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1520   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1521   // the existing GEPs whenever possible.
1522   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1523       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1524
1525     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1526     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1527     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1528     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1529     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1530     // extend IVCount.
1531     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1532     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1533
1534     // Expand the code for the iteration count.
1535     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1536            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1537     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1538     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1539
1540     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1541     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1542     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1543     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1544     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1545              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1546            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1547
1548     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1549     return Builder.CreateGEP(GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1550   }
1551   else {
1552     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1553     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1554     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1555     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1556     //
1557     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1558     // for simple memset-style loops.
1559     //
1560     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1561     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1562
1563     const SCEV *IVLimit = 0;
1564     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1565     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1566     if (AR->getStart()->isZero())
1567       IVLimit = IVCount;
1568     else {
1569       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1570       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1571
1572       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1573       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1574           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1575         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1576
1577       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1578     }
1579     // Expand the code for the iteration count.
1580     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1581     IRBuilder<> Builder(BI);
1582     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1583            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1584     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1585     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1586     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1587     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1588       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1589     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1590   }
1591 }
1592
1593 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1594 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1595 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1596 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1597 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1598 Value *IndVarSimplify::
1599 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1600                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1601                           PHINode *IndVar,
1602                           SCEVExpander &Rewriter) {
1603   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1604
1605   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1606   Value *CmpIndVar = IndVar;
1607   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1608
1609   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1610   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1611   // against the preincremented value.
1612   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1613     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1614     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1615     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1616     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1617                              SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
1618     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1619     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1620     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1621     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1622   }
1623
1624   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1625   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1626          && "genLoopLimit missed a cast");
1627
1628   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1629   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1630   ICmpInst::Predicate P;
1631   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1632     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1633   else
1634     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1635
1636   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1637                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1638                << "       op:\t"
1639                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1640                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1641                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1642
1643   IRBuilder<> Builder(BI);
1644
1645   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1646   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1647   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1648   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1649   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1650     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1651     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1652     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1653     // For constant IVCount, avoid truncation.
1654     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1655       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1656       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1657       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1658       // above such that IVCount is now zero.
1659       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1660         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1661         ++Count;
1662       }
1663       else
1664         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1665       APInt NewLimit;
1666       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1667         NewLimit = Start - Count;
1668       else
1669         NewLimit = Start + Count;
1670       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1671
1672       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1673     } else {
1674       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1675                                       "lftr.wideiv");
1676     }
1677   }
1678   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1679   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1680   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1681   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1682   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1683   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1684   // will make old comparison dead.
1685   BI->setCondition(Cond);
1686   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1687
1688   ++NumLFTR;
1689   Changed = true;
1690   return Cond;
1691 }
1692
1693 //===----------------------------------------------------------------------===//
1694 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1695 //===----------------------------------------------------------------------===//
1696
1697 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1698 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1699 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1700 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1701   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1702   if (!ExitBlock) return;
1703
1704   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1705   if (!Preheader) return;
1706
1707   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1708   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1709   while (I != Preheader->begin()) {
1710     --I;
1711     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1712     if (isa<PHINode>(I))
1713       break;
1714
1715     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1716     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1717     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1718     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1719     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1720     // block.
1721     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1722       continue;
1723
1724     // Skip debug info intrinsics.
1725     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1726       continue;
1727
1728     // Skip landingpad instructions.
1729     if (isa<LandingPadInst>(I))
1730       continue;
1731
1732     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1733     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1734     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1735     // FIXME: Refactor this check somehow?
1736     if (isa<AllocaInst>(I))
1737       continue;
1738
1739     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1740     // otherwise).
1741     bool UsedInLoop = false;
1742     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1743          UI != UE; ++UI) {
1744       User *U = *UI;
1745       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1746       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1747         unsigned i =
1748           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1749         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1750       }
1751       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1752         UsedInLoop = true;
1753         break;
1754       }
1755     }
1756
1757     // If there is, the def must remain in the preheader.
1758     if (UsedInLoop)
1759       continue;
1760
1761     // Otherwise, sink it to the exit block.
1762     Instruction *ToMove = I;
1763     bool Done = false;
1764
1765     if (I != Preheader->begin()) {
1766       // Skip debug info intrinsics.
1767       do {
1768         --I;
1769       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1770
1771       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1772         Done = true;
1773     } else {
1774       Done = true;
1775     }
1776
1777     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1778     if (Done) break;
1779     InsertPt = ToMove;
1780   }
1781 }
1782
1783 //===----------------------------------------------------------------------===//
1784 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1785 //===----------------------------------------------------------------------===//
1786
1787 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1788   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1789   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1790   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1791   //    afterwards.
1792   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1793   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1794   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1795   //    we've manually inserted one.
1796   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1797     return false;
1798
1799   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1800   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1801   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1802   TD = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
1803   TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
1804
1805   DeadInsts.clear();
1806   Changed = false;
1807
1808   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1809   // transform them to use integer recurrences.
1810   RewriteNonIntegerIVs(L);
1811
1812   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1813
1814   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1815   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1816 #ifndef NDEBUG
1817   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1818 #endif
1819
1820   // Eliminate redundant IV users.
1821   //
1822   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1823   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1824   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1825   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1826   Rewriter.disableCanonicalMode();
1827   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1828
1829   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1830   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1831   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1832   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1833   // the current expressions.
1834   //
1835   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1836     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1837
1838   // Eliminate redundant IV cycles.
1839   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
1840
1841   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1842   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1843   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && needsLFTR(L, DT)) {
1844     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, TD);
1845     if (IndVar) {
1846       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1847       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1848       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1849       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
1850       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1851       //
1852       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1853       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1854       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1855       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1856         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
1857                                         Rewriter);
1858     }
1859   }
1860   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1861   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1862   // trigger.
1863   Rewriter.clear();
1864
1865   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1866   // which are now dead.
1867   while (!DeadInsts.empty())
1868     if (Instruction *Inst =
1869           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1870       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
1871
1872   // The Rewriter may not be used from this point on.
1873
1874   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1875   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1876   SinkUnusedInvariants(L);
1877
1878   // Clean up dead instructions.
1879   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
1880   // Check a post-condition.
1881   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
1882          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1883
1884   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
1885   // ability to compute trip count.
1886 #ifndef NDEBUG
1887   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
1888     SE->forgetLoop(L);
1889     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1890     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
1891         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
1892       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
1893                                          BackedgeTakenCount->getType());
1894     else
1895       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
1896                                                  NewBECount->getType());
1897     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
1898   }
1899 #endif
1900
1901   return Changed;
1902 }