Reverts r221772 which fails tests
[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/IR/BasicBlock.h"
35 #include "llvm/IR/CFG.h"
36 #include "llvm/IR/Constants.h"
37 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
38 #include "llvm/IR/Dominators.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/CommandLine.h"
44 #include "llvm/Support/Debug.h"
45 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
46 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
47 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
48 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
50 using namespace llvm;
51
52 #define DEBUG_TYPE "indvars"
53
54 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
55 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
56 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
57 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
58 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
59
60 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
61 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
62 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
63 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
64   "verify-indvars", cl::Hidden,
65   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
66
67 static cl::opt<bool> ReduceLiveIVs("liv-reduce", cl::Hidden,
68   cl::desc("Reduce live induction variables."));
69
70 namespace {
71   class IndVarSimplify : public LoopPass {
72     LoopInfo        *LI;
73     ScalarEvolution *SE;
74     DominatorTree   *DT;
75     const DataLayout *DL;
76     TargetLibraryInfo *TLI;
77
78     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
79     bool Changed;
80   public:
81
82     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
83     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), LI(nullptr), SE(nullptr), DT(nullptr),
84                        DL(nullptr), Changed(false) {
85       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
86     }
87
88     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
89
90     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
91       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
92       AU.addRequired<LoopInfo>();
93       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
94       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
95       AU.addRequiredID(LCSSAID);
96       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
97       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
98       AU.addPreservedID(LCSSAID);
99       AU.setPreservesCFG();
100     }
101
102   private:
103     void releaseMemory() override {
104       DeadInsts.clear();
105     }
106
107     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
108
109     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
110     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
111
112     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
113
114     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
115
116     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
117                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
118
119     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
120   };
121 }
122
123 char IndVarSimplify::ID = 0;
124 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
125                 "Induction Variable Simplification", false, false)
126 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
127 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
128 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
129 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
130 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
131 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
132                 "Induction Variable Simplification", false, false)
133
134 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
135   return new IndVarSimplify();
136 }
137
138 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
139 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
140 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
141 /// Ideally, this function will only be called for verification.
142 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
143   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
144   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
145   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
146   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
147   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
148   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
149   // bail out here.
150   //
151   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
152   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
153   Value *FromPtr = FromVal;
154   Value *ToPtr = ToVal;
155   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
156     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
157   }
158   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
159     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
160   }
161   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
162     // Quickly check the common case
163     if (FromPtr == ToPtr)
164       return true;
165
166     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
167     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
168     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
169     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
170     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
171     // indexed by an integer recurrence.
172
173     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
174     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
175       return false;
176
177     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
178     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
179     if (FromBase == ToBase)
180       return true;
181
182     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
183           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
184
185     return false;
186   }
187   return true;
188 }
189
190 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
191 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
192 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
193 /// common dominator for the incoming blocks.
194 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
195                                           DominatorTree *DT) {
196   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
197   if (!PHI)
198     return User;
199
200   Instruction *InsertPt = nullptr;
201   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
202     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
203       continue;
204
205     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
206     if (!InsertPt) {
207       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
208       continue;
209     }
210     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
211     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
212   }
213   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
214   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
215           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
216          "def does not dominate all uses");
217   return InsertPt;
218 }
219
220 //===----------------------------------------------------------------------===//
221 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
222 //===----------------------------------------------------------------------===//
223
224 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
225 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
226   bool isExact = false;
227   // See if we can convert this to an int64_t
228   uint64_t UIntVal;
229   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
230                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
231     return false;
232   IntVal = UIntVal;
233   return true;
234 }
235
236 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
237 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
238 /// For example,
239 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
240 ///   bar(i)
241 /// is converted into
242 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
243 ///   bar((double)i);
244 ///
245 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
246   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
247   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
248
249   // Check incoming value.
250   ConstantFP *InitValueVal =
251     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
252
253   int64_t InitValue;
254   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
255     return;
256
257   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
258   // an add or increment value can not be represented by an integer.
259   BinaryOperator *Incr =
260     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
261   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
262
263   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
264   // is not an integer, bail out.
265   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
266   int64_t IncValue;
267   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
268       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
269     return;
270
271   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
272   // used by the conditional terminator.
273   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
274   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
275   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
276   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
277   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
278
279   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
280   // only used by a branch, we can't transform it.
281   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
282   if (!Compare)
283     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
284   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
285       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
286     return;
287
288   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
289
290   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
291   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
292   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
293   // of the loop.
294   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
295   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
296       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
297        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
298     return;
299
300
301   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
302   // transform it.
303   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
304   int64_t ExitValue;
305   if (ExitValueVal == nullptr ||
306       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
307     return;
308
309   // Find new predicate for integer comparison.
310   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
311   switch (Compare->getPredicate()) {
312   default: return;  // Unknown comparison.
313   case CmpInst::FCMP_OEQ:
314   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
315   case CmpInst::FCMP_ONE:
316   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
317   case CmpInst::FCMP_OGT:
318   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
319   case CmpInst::FCMP_OGE:
320   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
321   case CmpInst::FCMP_OLT:
322   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
323   case CmpInst::FCMP_OLE:
324   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
325   }
326
327   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
328   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
329   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
330   // now.
331   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
332
333   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
334   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
335     return;
336
337   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
338   if (IncValue == 0)
339     return;
340
341   // Positive and negative strides have different safety conditions.
342   if (IncValue > 0) {
343     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
344     // exit value.
345     if (InitValue >= ExitValue)
346       return;
347
348     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
349     // Check for infinite loop, either:
350     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
351     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
352       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
353     }
354
355     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
356
357     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
358     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
359     // around and do things the fp IV wouldn't.
360     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
361         Leftover != 0)
362       return;
363
364     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
365     // transform the IV.
366     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
367       return;
368
369   } else {
370     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
371     // exit value.
372     if (InitValue <= ExitValue)
373       return;
374
375     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
376     // Check for infinite loop, either:
377     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
378     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
379       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
380     }
381
382     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
383
384     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
385     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
386     // around and do things the fp IV wouldn't.
387     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
388         Leftover != 0)
389       return;
390
391     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
392     // transform the IV.
393     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
394       return;
395   }
396
397   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
398
399   // Insert new integer induction variable.
400   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
401   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
402                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
403
404   Value *NewAdd =
405     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
406                               Incr->getName()+".int", Incr);
407   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
408
409   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
410                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
411                                       Compare->getName());
412
413   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
414   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
415   WeakVH WeakPH = PN;
416
417   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
418   // new comparison.
419   NewCompare->takeName(Compare);
420   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
421   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
422
423   // Delete the old floating point increment.
424   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
425   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
426
427   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
428   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
429   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
430   // int->fp cast.
431   //
432   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
433   // platforms.
434   if (WeakPH) {
435     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
436                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
437     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
438     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
439   }
440   Changed = true;
441 }
442
443 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
444   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
445   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
446   // the SCEV routines.
447   //
448   BasicBlock *Header = L->getHeader();
449
450   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
451   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
452        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
453     PHIs.push_back(PN);
454
455   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
456     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
457       HandleFloatingPointIV(L, PN);
458
459   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
460   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
461   // re-writing, the trip count may be computable.
462   if (Changed)
463     SE->forgetLoop(L);
464 }
465
466 //===----------------------------------------------------------------------===//
467 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
468 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
469 //===----------------------------------------------------------------------===//
470
471 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
472 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
473 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
474 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
475 /// the loop that use the final values of the current expressions.
476 ///
477 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
478 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
479 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
480 /// constant operands at the beginning of the loop.
481 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
482   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
483   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
484
485   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
486   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
487
488   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
489   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
490   // the exit blocks of the loop to find them.
491   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
492     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
493
494     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
495     // inside the loop are used on this path, skip it.
496     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
497     if (!PN) continue;
498
499     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
500
501     // We would like to be able to RAUW single-incoming value PHI nodes. We
502     // have to be certain this is safe even when this is an LCSSA PHI node.
503     // While the computed exit value is no longer varying in *this* loop, the
504     // exit block may be an exit block for an outer containing loop as well,
505     // the exit value may be varying in the outer loop, and thus it may still
506     // require an LCSSA PHI node. The safe case is when this is
507     // single-predecessor PHI node (LCSSA) and the exit block containing it is
508     // part of the enclosing loop, or this is the outer most loop of the nest.
509     // In either case the exit value could (at most) be varying in the same
510     // loop body as the phi node itself. Thus if it is in turn used outside of
511     // an enclosing loop it will only be via a separate LCSSA node.
512     bool LCSSASafePhiForRAUW =
513         NumPreds == 1 &&
514         (!L->getParentLoop() || L->getParentLoop() == LI->getLoopFor(ExitBB));
515
516     // Iterate over all of the PHI nodes.
517     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
518     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
519       if (PN->use_empty())
520         continue; // dead use, don't replace it
521
522       // SCEV only supports integer expressions for now.
523       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
524         continue;
525
526       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
527       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
528       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
529       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
530       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
531       SE->forgetValue(PN);
532
533       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
534       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
535         // If the value being merged in is not integer or is not defined
536         // in the loop, skip it.
537         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
538         if (!isa<Instruction>(InVal))
539           continue;
540
541         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
542         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
543           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
544
545         // Check that InVal is defined in the loop.
546         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
547         if (!L->contains(Inst))
548           continue;
549
550         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
551         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
552         // contains when the loop exits, if possible.
553         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
554         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
555             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
556           continue;
557
558         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
559         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
560         //    optimized away.
561         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
562         //    computation out of the loop
563         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
564           unsigned NumHardInternalUses = 0;
565           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
566           unsigned NumUses = 0;
567           for (auto IB = Inst->user_begin(), IE = Inst->user_end();
568                IB != IE && NumUses <= 6; ++IB) {
569             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
570             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
571             NumUses++;
572             if (L->contains(UseInstr)) {
573               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
574                 NumHardInternalUses++;
575             } else {
576               if (Opc == Instruction::PHI) {
577                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
578                 // plenty of trivial ones.
579                 NumUses--;
580                 for (auto PB = UseInstr->user_begin(),
581                           PE = UseInstr->user_end();
582                      PB != PE && NumUses <= 6; ++PB, ++NumUses) {
583                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
584                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
585                     NumSoftExternalUses++;
586                 }
587                 continue;
588               }
589               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
590                 NumSoftExternalUses++;
591             }
592           }
593           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
594             continue;
595         }
596
597         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
598
599         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
600                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
601
602         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
603           DeadInsts.push_back(ExitVal);
604           continue;
605         }
606         Changed = true;
607         ++NumReplaced;
608
609         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
610
611         // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
612         // invalidating iterators.
613         if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
614           DeadInsts.push_back(Inst);
615
616         // If we determined that this PHI is safe to replace even if an LCSSA
617         // PHI, do so.
618         if (LCSSASafePhiForRAUW) {
619           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
620           PN->eraseFromParent();
621         }
622       }
623
624       // If we were unable to completely replace the PHI node, clone the PHI
625       // and delete the original one. This lets IVUsers and any other maps
626       // purge the original user from their records.
627       if (!LCSSASafePhiForRAUW) {
628         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
629         NewPN->takeName(PN);
630         NewPN->insertBefore(PN);
631         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
632         PN->eraseFromParent();
633       }
634     }
635   }
636
637   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
638   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
639   Rewriter.clearInsertPoint();
640 }
641
642 //===----------------------------------------------------------------------===//
643 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
644 //===----------------------------------------------------------------------===//
645
646 namespace {
647   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
648   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
649   // provides the input to WidenIV.
650   struct WideIVInfo {
651     PHINode *NarrowIV;
652     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
653     bool IsSigned;          // Was a sext user seen before a zext?
654
655     WideIVInfo() : NarrowIV(nullptr), WidestNativeType(nullptr),
656                    IsSigned(false) {}
657   };
658 }
659
660 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
661 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
662 /// the final width of the IV before actually widening it.
663 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
664                         const DataLayout *DL) {
665   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
666   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
667     return;
668
669   Type *Ty = Cast->getType();
670   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
671   if (DL && !DL->isLegalInteger(Width))
672     return;
673
674   if (!WI.WidestNativeType) {
675     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
676     WI.IsSigned = IsSigned;
677     return;
678   }
679
680   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
681   if (WI.IsSigned != IsSigned)
682     return;
683
684   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
685     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
686 }
687
688 namespace {
689
690 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
691 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
692 /// caching Use* pointers.
693 struct NarrowIVDefUse {
694   Instruction *NarrowDef;
695   Instruction *NarrowUse;
696   Instruction *WideDef;
697
698   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(nullptr), NarrowUse(nullptr), WideDef(nullptr) {}
699
700   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
701     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
702 };
703
704 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
705 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
706 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
707 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
708 ///
709 class WidenIV {
710   // Parameters
711   PHINode *OrigPhi;
712   Type *WideType;
713   bool IsSigned;
714
715   // Context
716   LoopInfo        *LI;
717   Loop            *L;
718   ScalarEvolution *SE;
719   DominatorTree   *DT;
720
721   // Result
722   PHINode *WidePhi;
723   Instruction *WideInc;
724   const SCEV *WideIncExpr;
725   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
726
727   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
728   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
729
730 public:
731   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
732           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
733           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
734     OrigPhi(WI.NarrowIV),
735     WideType(WI.WidestNativeType),
736     IsSigned(WI.IsSigned),
737     LI(LInfo),
738     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
739     SE(SEv),
740     DT(DTree),
741     WidePhi(nullptr),
742     WideInc(nullptr),
743     WideIncExpr(nullptr),
744     DeadInsts(DI) {
745     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
746   }
747
748   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
749
750 protected:
751   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
752                    Instruction *Use);
753
754   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
755
756   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
757
758   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
759
760   const SCEV *GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
761                               unsigned OpCode) const;
762
763   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
764
765   bool WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
766
767   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
768 };
769 } // anonymous namespace
770
771 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
772 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
773 /// gratuitous for this purpose.
774 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
775   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
776   if (!Inst)
777     return true;
778
779   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
780 }
781
782 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
783                           Instruction *Use) {
784   // Set the debug location and conservative insertion point.
785   IRBuilder<> Builder(Use);
786   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
787   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
788        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
789        L = L->getParentLoop())
790     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
791
792   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
793                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
794 }
795
796 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
797 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
798 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
799 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
800   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
801   switch (Opcode) {
802   default:
803     return nullptr;
804   case Instruction::Add:
805   case Instruction::Mul:
806   case Instruction::UDiv:
807   case Instruction::Sub:
808   case Instruction::And:
809   case Instruction::Or:
810   case Instruction::Xor:
811   case Instruction::Shl:
812   case Instruction::LShr:
813   case Instruction::AShr:
814     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
815
816     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
817     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
818     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
819     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
820     // WidenIVUse.
821     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
822       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
823     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
824       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
825
826     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
827     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
828                                                     LHS, RHS,
829                                                     NarrowBO->getName());
830     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
831     Builder.Insert(WideBO);
832     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
833         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
834       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
835       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
836     }
837     return WideBO;
838   }
839 }
840
841 const SCEV *WidenIV::GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
842                                      unsigned OpCode) const {
843   if (OpCode == Instruction::Add)
844     return SE->getAddExpr(LHS, RHS);
845   if (OpCode == Instruction::Sub)
846     return SE->getMinusSCEV(LHS, RHS);
847   if (OpCode == Instruction::Mul)
848     return SE->getMulExpr(LHS, RHS);
849
850   llvm_unreachable("Unsupported opcode.");
851 }
852
853 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
854 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
855 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
856 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
857 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
858
859   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
860   const unsigned OpCode = DU.NarrowUse->getOpcode();
861   // Only Add/Sub/Mul instructions supported yet.
862   if (OpCode != Instruction::Add && OpCode != Instruction::Sub &&
863       OpCode != Instruction::Mul)
864     return nullptr;
865
866   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
867   // if extending the other will lead to a recurrence.
868   const unsigned ExtendOperIdx =
869       DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
870   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
871
872   const SCEV *ExtendOperExpr = nullptr;
873   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
874     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
875   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
876     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
877       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
878   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
879     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
880       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
881   else
882     return nullptr;
883
884   // When creating this SCEV expr, don't apply the current operations NSW or NUW
885   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
886   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
887   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
888   // semantics to those operations.
889   const SCEV *lhs = SE->getSCEV(DU.WideDef);
890   const SCEV *rhs = ExtendOperExpr;
891
892   // Let's swap operands to the initial order for the case of non-commutative
893   // operations, like SUB. See PR21014.
894   if (ExtendOperIdx == 0)
895     std::swap(lhs, rhs);
896   const SCEVAddRecExpr *AddRec =
897       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(GetSCEVByOpCode(lhs, rhs, OpCode));
898
899   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
900     return nullptr;
901   return AddRec;
902 }
903
904 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
905 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
906 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
907 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
908 /// recurrence. Otherwise return NULL.
909 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
910   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
911     return nullptr;
912
913   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
914   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
915       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
916     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
917     // index. So don't follow this use.
918     return nullptr;
919   }
920
921   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
922     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
923     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
924   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
925   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
926     return nullptr;
927   return AddRec;
928 }
929
930 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
931 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
932 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
933   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
934         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
935   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
936   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
937   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
938 }
939
940 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
941 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
942 // loop preheader as far as possible.
943 bool WidenIV::WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
944   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
945   if (!Cmp)
946     return false;
947
948   // Sign of IV user and compare must match.
949   if (IsSigned != CmpInst::isSigned(Cmp->getPredicate()))
950     return false;
951
952   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
953   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
954   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
955   assert (CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
956
957   // Widen the compare instruction.
958   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
959   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
960
961   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
962   if (CastWidth < IVWidth) {
963     Value *ExtOp = getExtend(Op, WideType, IsSigned, Cmp);
964     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
965   }
966   return true;
967 }
968
969 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
970 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
971 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
972
973   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
974   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
975     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
976       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
977       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
978       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
979       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
980         truncateIVUse(DU, DT);
981       else {
982         PHINode *WidePhi =
983           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
984                           UsePhi);
985         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
986         IRBuilder<> Builder(WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
987         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
988         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
989         DeadInsts.push_back(UsePhi);
990         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
991               << " to " << *WidePhi << "\n");
992       }
993       return nullptr;
994     }
995   }
996   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
997   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
998     Value *NewDef = DU.WideDef;
999     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1000       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1001       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1002       if (CastWidth < IVWidth) {
1003         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1004         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1005         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1006       }
1007       else {
1008         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1009         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1010         // dead. It should be very rare.
1011         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1012               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1013         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1014         NewDef = DU.NarrowUse;
1015       }
1016     }
1017     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1018       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1019             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1020       ++NumElimExt;
1021       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1022       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
1023     }
1024     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1025     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1026     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1027     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1028     // push the uses of WideDef here.
1029
1030     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1031     return nullptr;
1032   }
1033
1034   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1035   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1036   if (!WideAddRec)
1037     WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1038
1039   if (!WideAddRec) {
1040     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1041     // truncating the IV first.
1042     if (WidenLoopCompare(DU))
1043       return nullptr;
1044
1045     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1046     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1047     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1048     truncateIVUse(DU, DT);
1049     return nullptr;
1050   }
1051   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1052   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1053   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1054          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1055
1056   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1057   // NarrowUse.
1058   Instruction *WideUse = nullptr;
1059   if (WideAddRec == WideIncExpr
1060       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1061     WideUse = WideInc;
1062   else {
1063     WideUse = CloneIVUser(DU);
1064     if (!WideUse)
1065       return nullptr;
1066   }
1067   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1068   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1069   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1070   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1071   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1072   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1073     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1074           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1075     DeadInsts.push_back(WideUse);
1076     return nullptr;
1077   }
1078
1079   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1080   return WideUse;
1081 }
1082
1083 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1084 ///
1085 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1086   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1087     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1088
1089     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1090     if (!Widened.insert(NarrowUser))
1091       continue;
1092
1093     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUser, WideDef));
1094   }
1095 }
1096
1097 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1098 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1099 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1100 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1101 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1102 /// DeleteDeadPHIs.
1103 ///
1104 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1105 /// invalidating SCEV expressions.
1106 ///
1107 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1108   // Is this phi an induction variable?
1109   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1110   if (!AddRec)
1111     return nullptr;
1112
1113   // Widen the induction variable expression.
1114   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1115     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1116     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1117
1118   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1119          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1120
1121   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1122   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1123   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1124     return nullptr;
1125
1126   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1127   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1128   // operands, so they must dominate the loop header.
1129   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1130          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1131          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1132
1133   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1134   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1135   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1136   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1137   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1138   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1139
1140   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1141   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1142   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1143   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1144   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1145     WideInc =
1146       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1147     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1148   }
1149
1150   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1151   ++NumWidened;
1152
1153   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1154   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1155
1156   Widened.insert(OrigPhi);
1157   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1158
1159   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1160     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1161
1162     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1163     // use_iterator across it.
1164     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1165
1166     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1167     if (WideUse)
1168       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1169
1170     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1171     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1172       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1173   }
1174   return WidePhi;
1175 }
1176
1177 //===----------------------------------------------------------------------===//
1178 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1179 //===----------------------------------------------------------------------===//
1180
1181
1182 //===----------------------------------------------------------------------===//
1183 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1184 //===----------------------------------------------------------------------===//
1185
1186 namespace {
1187   class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1188     ScalarEvolution *SE;
1189     const DataLayout *DL;
1190     PHINode *IVPhi;
1191
1192   public:
1193     WideIVInfo WI;
1194
1195     IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1196                           const DataLayout *DL, const DominatorTree *DTree):
1197       SE(SCEV), DL(DL), IVPhi(IV) {
1198       DT = DTree;
1199       WI.NarrowIV = IVPhi;
1200       if (ReduceLiveIVs)
1201         setSplitOverflowIntrinsics();
1202     }
1203
1204     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1205     void visitCast(CastInst *Cast) override { visitIVCast(Cast, WI, SE, DL); }
1206   };
1207 }
1208
1209 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1210 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1211 /// themselves be candidates for simplification.
1212 ///
1213 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1214 ///
1215 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1216                                        SCEVExpander &Rewriter,
1217                                        LPPassManager &LPM) {
1218   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1219
1220   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1221   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1222     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1223   }
1224   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1225   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1226   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1227   // simplification on the wide IVs.
1228   while (!LoopPhis.empty()) {
1229     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1230     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1231     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1232     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1233     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1234     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1235     do {
1236       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1237
1238       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1239       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, DL, DT);
1240
1241       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &Visitor);
1242
1243       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1244         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1245       }
1246     } while(!LoopPhis.empty());
1247
1248     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1249       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1250       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1251         Changed = true;
1252         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1253       }
1254     }
1255   }
1256 }
1257
1258 //===----------------------------------------------------------------------===//
1259 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1260 //===----------------------------------------------------------------------===//
1261
1262 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1263 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1264 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1265 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1266                                 SmallPtrSetImpl<const SCEV*> &Processed,
1267                                 ScalarEvolution *SE) {
1268   if (!Processed.insert(S))
1269     return false;
1270
1271   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1272   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1273   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1274   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1275   // forego rewriting the loop.
1276   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1277     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1278     if (!OrigCond) return true;
1279     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1280     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1281     if (R != S) {
1282       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1283       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1284       if (L != S)
1285         return true;
1286     }
1287   }
1288
1289   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1290   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1291   // they are not too expensive rematerialize.
1292   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1293     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1294          I != E; ++I) {
1295       if (isHighCostExpansion(*I, BI, Processed, SE))
1296         return true;
1297     }
1298     return false;
1299   }
1300
1301   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1302   // the exit condition.
1303   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1304     return true;
1305
1306   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1307   // expression produced by program code.
1308   return false;
1309 }
1310
1311 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1312 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1313 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1314 ///
1315 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1316 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1317 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1318 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1319 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1320 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1321 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1322 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1323 /// into inequality tests.
1324 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1325   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1326   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1327       BackedgeTakenCount->isZero())
1328     return false;
1329
1330   if (!L->getExitingBlock())
1331     return false;
1332
1333   // Can't rewrite non-branch yet.
1334   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1335   if (!BI)
1336     return false;
1337
1338   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
1339   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, Processed, SE))
1340     return false;
1341
1342   return true;
1343 }
1344
1345 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1346 /// invariant value to the phi.
1347 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1348   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1349   if (!IncI)
1350     return nullptr;
1351
1352   switch (IncI->getOpcode()) {
1353   case Instruction::Add:
1354   case Instruction::Sub:
1355     break;
1356   case Instruction::GetElementPtr:
1357     // An IV counter must preserve its type.
1358     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1359       break;
1360   default:
1361     return nullptr;
1362   }
1363
1364   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1365   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1366     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1367       return Phi;
1368     return nullptr;
1369   }
1370   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1371     return nullptr;
1372
1373   // Allow add/sub to be commuted.
1374   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1375   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1376     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1377       return Phi;
1378   }
1379   return nullptr;
1380 }
1381
1382 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1383 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1384   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1385
1386   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1387   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1388   if (!LatchBlock)
1389     return nullptr;
1390
1391   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1392   assert(BI && "expected exit branch");
1393
1394   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1395 }
1396
1397 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1398 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1399 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1400   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1401   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1402   if (!Cond)
1403     return true;
1404
1405   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1406   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1407   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1408     return true;
1409
1410   // Look for a loop invariant RHS
1411   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1412   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1413   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1414     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1415       return true;
1416     std::swap(LHS, RHS);
1417   }
1418   // Look for a simple IV counter LHS
1419   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1420   if (!Phi)
1421     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1422
1423   if (!Phi)
1424     return true;
1425
1426   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1427   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1428   if (Idx < 0)
1429     return true;
1430
1431   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1432   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1433   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1434 }
1435
1436 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1437 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1438 /// that may hide undef.
1439 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1440                                unsigned Depth) {
1441   if (isa<Constant>(V))
1442     return !isa<UndefValue>(V);
1443
1444   if (Depth >= 6)
1445     return false;
1446
1447   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1448   // may be undef.
1449   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1450   if (!I)
1451     return false;
1452
1453   // Load and return values may be undef.
1454   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1455     return false;
1456
1457   // Optimistically handle other instructions.
1458   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1459     if (!Visited.insert(*OI))
1460       continue;
1461     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1462       return false;
1463   }
1464   return true;
1465 }
1466
1467 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1468 /// never reach it.
1469 ///
1470 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1471 /// may factor it into a common location.
1472 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1473   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1474   Visited.insert(V);
1475   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1476 }
1477
1478 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1479 /// be rewritten) loop exit test.
1480 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1481   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1482   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1483
1484   for (User *U : Phi->users())
1485     if (U != Cond && U != IncV) return false;
1486
1487   for (User *U : IncV->users())
1488     if (U != Cond && U != Phi) return false;
1489   return true;
1490 }
1491
1492 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1493 ///
1494 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1495 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1496 /// expression as far as SCEV is concerned.
1497 ///
1498 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1499 ///
1500 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1501 ///
1502 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1503 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1504 /// could at least handle constant BECounts.
1505 static PHINode *
1506 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1507                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const DataLayout *DL) {
1508   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1509
1510   Value *Cond =
1511     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1512
1513   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1514   PHINode *BestPhi = nullptr;
1515   const SCEV *BestInit = nullptr;
1516   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1517   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1518
1519   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1520     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1521     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1522       continue;
1523
1524     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1525     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1526       continue;
1527
1528     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1529     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1530       continue;
1531
1532     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1533     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1534     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1535     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1536     if (PhiWidth < BCWidth || (DL && !DL->isLegalInteger(PhiWidth)))
1537       continue;
1538
1539     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1540     if (!Step || !Step->isOne())
1541       continue;
1542
1543     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1544     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1545     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1546       continue;
1547
1548     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1549     // have originally had a concrete definition.
1550     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1551       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1552       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1553       // increase the number of undef users.
1554       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1555         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1556             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1557           continue;
1558         }
1559       }
1560     }
1561     const SCEV *Init = AR->getStart();
1562
1563     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1564       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1565       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1566         continue;
1567
1568       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1569       // also prefers integer to pointer IVs.
1570       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1571         if (BestInit->isZero())
1572           continue;
1573       }
1574       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1575       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1576       // to allow the other to be eliminated.
1577       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1578         continue;
1579     }
1580     BestPhi = Phi;
1581     BestInit = Init;
1582   }
1583   return BestPhi;
1584 }
1585
1586 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1587 /// holds the RHS of the new loop test.
1588 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1589                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1590   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1591   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1592   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1593
1594   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1595   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1596   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1597   // the existing GEPs whenever possible.
1598   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1599       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1600
1601     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1602     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1603     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1604     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1605     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1606     // extend IVCount.
1607     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1608     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1609
1610     // Expand the code for the iteration count.
1611     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1612            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1613     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1614     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1615
1616     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1617     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1618     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1619     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1620     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1621              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1622            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1623
1624     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1625     return Builder.CreateGEP(GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1626   }
1627   else {
1628     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1629     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1630     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1631     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1632     //
1633     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1634     // for simple memset-style loops.
1635     //
1636     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1637     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1638
1639     const SCEV *IVLimit = nullptr;
1640     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1641     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1642     if (AR->getStart()->isZero())
1643       IVLimit = IVCount;
1644     else {
1645       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1646       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1647
1648       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1649       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1650           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1651         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1652
1653       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1654     }
1655     // Expand the code for the iteration count.
1656     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1657     IRBuilder<> Builder(BI);
1658     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1659            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1660     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1661     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1662     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1663     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1664       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1665     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1666   }
1667 }
1668
1669 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1670 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1671 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1672 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1673 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1674 Value *IndVarSimplify::
1675 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1676                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1677                           PHINode *IndVar,
1678                           SCEVExpander &Rewriter) {
1679   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1680
1681   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1682   Value *CmpIndVar = IndVar;
1683   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1684
1685   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1686   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1687   // against the preincremented value.
1688   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1689     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1690     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1691     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1692     llvm::Value *IncrementedIndvar =
1693         IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1694     const auto *IncrementedIndvarSCEV =
1695         cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IncrementedIndvar));
1696     // It is unsafe to use the incremented indvar if it has a wrapping flag, we
1697     // don't want to compare against a poison value.  Check the SCEV that
1698     // corresponds to the incremented indvar, the SCEVExpander will only insert
1699     // flags in the IR if the SCEV originally had wrapping flags.
1700     // FIXME: In theory, SCEV could drop flags even though they exist in IR.
1701     // A more robust solution would involve getting a new expression for
1702     // CmpIndVar by applying non-NSW/NUW AddExprs.
1703     if (!ScalarEvolution::maskFlags(IncrementedIndvarSCEV->getNoWrapFlags(),
1704                                     SCEV::FlagNUW | SCEV::FlagNSW)) {
1705       // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1706       // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1707       // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1708       IVCount =
1709           SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1710                          SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
1711       CmpIndVar = IncrementedIndvar;
1712     }
1713   }
1714
1715   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1716   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1717          && "genLoopLimit missed a cast");
1718
1719   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1720   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1721   ICmpInst::Predicate P;
1722   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1723     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1724   else
1725     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1726
1727   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1728                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1729                << "       op:\t"
1730                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1731                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1732                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1733
1734   IRBuilder<> Builder(BI);
1735
1736   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1737   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1738   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1739   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1740   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1741     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1742     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1743     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1744     // For constant IVCount, avoid truncation.
1745     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1746       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1747       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1748       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1749       // above such that IVCount is now zero.
1750       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1751         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1752         ++Count;
1753       }
1754       else
1755         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1756       APInt NewLimit;
1757       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1758         NewLimit = Start - Count;
1759       else
1760         NewLimit = Start + Count;
1761       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1762
1763       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1764     } else {
1765       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1766                                       "lftr.wideiv");
1767     }
1768   }
1769   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1770   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1771   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1772   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1773   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1774   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1775   // will make old comparison dead.
1776   BI->setCondition(Cond);
1777   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1778
1779   ++NumLFTR;
1780   Changed = true;
1781   return Cond;
1782 }
1783
1784 //===----------------------------------------------------------------------===//
1785 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1786 //===----------------------------------------------------------------------===//
1787
1788 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1789 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1790 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1791 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1792   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1793   if (!ExitBlock) return;
1794
1795   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1796   if (!Preheader) return;
1797
1798   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1799   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1800   while (I != Preheader->begin()) {
1801     --I;
1802     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1803     if (isa<PHINode>(I))
1804       break;
1805
1806     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1807     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1808     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1809     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1810     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1811     // block.
1812     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1813       continue;
1814
1815     // Skip debug info intrinsics.
1816     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1817       continue;
1818
1819     // Skip landingpad instructions.
1820     if (isa<LandingPadInst>(I))
1821       continue;
1822
1823     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1824     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1825     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1826     // FIXME: Refactor this check somehow?
1827     if (isa<AllocaInst>(I))
1828       continue;
1829
1830     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1831     // otherwise).
1832     bool UsedInLoop = false;
1833     for (Use &U : I->uses()) {
1834       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
1835       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
1836       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
1837         unsigned i =
1838           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
1839         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1840       }
1841       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1842         UsedInLoop = true;
1843         break;
1844       }
1845     }
1846
1847     // If there is, the def must remain in the preheader.
1848     if (UsedInLoop)
1849       continue;
1850
1851     // Otherwise, sink it to the exit block.
1852     Instruction *ToMove = I;
1853     bool Done = false;
1854
1855     if (I != Preheader->begin()) {
1856       // Skip debug info intrinsics.
1857       do {
1858         --I;
1859       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1860
1861       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1862         Done = true;
1863     } else {
1864       Done = true;
1865     }
1866
1867     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1868     if (Done) break;
1869     InsertPt = ToMove;
1870   }
1871 }
1872
1873 //===----------------------------------------------------------------------===//
1874 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1875 //===----------------------------------------------------------------------===//
1876
1877 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1878   if (skipOptnoneFunction(L))
1879     return false;
1880
1881   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1882   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1883   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1884   //    afterwards.
1885   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1886   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1887   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1888   //    we've manually inserted one.
1889   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1890     return false;
1891
1892   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1893   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1894   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1895   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
1896   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
1897   TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
1898
1899   DeadInsts.clear();
1900   Changed = false;
1901
1902   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1903   // transform them to use integer recurrences.
1904   RewriteNonIntegerIVs(L);
1905
1906   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1907
1908   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1909   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1910 #ifndef NDEBUG
1911   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1912 #endif
1913
1914   // Eliminate redundant IV users.
1915   //
1916   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1917   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1918   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1919   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1920   Rewriter.disableCanonicalMode();
1921   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1922
1923   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1924   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1925   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1926   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1927   // the current expressions.
1928   //
1929   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1930     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1931
1932   // Eliminate redundant IV cycles.
1933   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
1934
1935   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1936   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1937   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && needsLFTR(L, DT)) {
1938     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, DL);
1939     if (IndVar) {
1940       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1941       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1942       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1943       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
1944       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1945       //
1946       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1947       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1948       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1949       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1950         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
1951                                         Rewriter);
1952     }
1953   }
1954   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1955   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1956   // trigger.
1957   Rewriter.clear();
1958
1959   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1960   // which are now dead.
1961   while (!DeadInsts.empty())
1962     if (Instruction *Inst =
1963           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1964       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
1965
1966   // The Rewriter may not be used from this point on.
1967
1968   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1969   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1970   SinkUnusedInvariants(L);
1971
1972   // Clean up dead instructions.
1973   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
1974   // Check a post-condition.
1975   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
1976          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1977
1978   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
1979   // ability to compute trip count.
1980 #ifndef NDEBUG
1981   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
1982     SE->forgetLoop(L);
1983     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1984     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
1985         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
1986       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
1987                                          BackedgeTakenCount->getType());
1988     else
1989       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
1990                                                  NewBECount->getType());
1991     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
1992   }
1993 #endif
1994
1995   return Changed;
1996 }