indvars: insert truncate at loop boundary to avoid redundant IVs.
[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   class WideIVVisitor : public IVVisitor {
642     ScalarEvolution *SE;
643     const DataLayout *TD;
644
645   public:
646     WideIVInfo WI;
647
648     WideIVVisitor(PHINode *NarrowIV, ScalarEvolution *SCEV,
649                   const DataLayout *TData, const DominatorTree *DTree):
650       SE(SCEV), TD(TData) {
651       DT = DTree;
652       WI.NarrowIV = NarrowIV;
653     }
654
655     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
656     virtual void visitCast(CastInst *Cast);
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 void WideIVVisitor::visitCast(CastInst *Cast) {
664   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
665   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
666     return;
667
668   Type *Ty = Cast->getType();
669   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
670   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
671     return;
672
673   if (!WI.WidestNativeType) {
674     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
675     WI.IsSigned = IsSigned;
676     return;
677   }
678
679   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
680   if (WI.IsSigned != IsSigned)
681     return;
682
683   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
684     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
685 }
686
687 namespace {
688
689 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
690 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
691 /// caching Use* pointers.
692 struct NarrowIVDefUse {
693   Instruction *NarrowDef;
694   Instruction *NarrowUse;
695   Instruction *WideDef;
696
697   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(0), NarrowUse(0), WideDef(0) {}
698
699   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
700     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
701 };
702
703 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
704 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
705 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
706 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
707 ///
708 class WidenIV {
709   // Parameters
710   PHINode *OrigPhi;
711   Type *WideType;
712   bool IsSigned;
713
714   // Context
715   LoopInfo        *LI;
716   Loop            *L;
717   ScalarEvolution *SE;
718   DominatorTree   *DT;
719
720   // Result
721   PHINode *WidePhi;
722   Instruction *WideInc;
723   const SCEV *WideIncExpr;
724   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
725
726   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
727   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
728
729 public:
730   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
731           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
732           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
733     OrigPhi(WI.NarrowIV),
734     WideType(WI.WidestNativeType),
735     IsSigned(WI.IsSigned),
736     LI(LInfo),
737     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
738     SE(SEv),
739     DT(DTree),
740     WidePhi(0),
741     WideInc(0),
742     WideIncExpr(0),
743     DeadInsts(DI) {
744     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
745   }
746
747   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
748
749 protected:
750   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
751                    Instruction *Use);
752
753   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
754
755   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
756
757   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
758
759   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
760
761   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
762 };
763 } // anonymous namespace
764
765 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
766 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
767 /// gratuitous for this purpose.
768 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
769   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
770   if (!Inst)
771     return true;
772
773   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
774 }
775
776 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
777                           Instruction *Use) {
778   // Set the debug location and conservative insertion point.
779   IRBuilder<> Builder(Use);
780   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
781   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
782        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
783        L = L->getParentLoop())
784     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
785
786   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
787                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
788 }
789
790 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
791 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
792 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
793 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
794   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
795   switch (Opcode) {
796   default:
797     return 0;
798   case Instruction::Add:
799   case Instruction::Mul:
800   case Instruction::UDiv:
801   case Instruction::Sub:
802   case Instruction::And:
803   case Instruction::Or:
804   case Instruction::Xor:
805   case Instruction::Shl:
806   case Instruction::LShr:
807   case Instruction::AShr:
808     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
809
810     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
811     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
812     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
813     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
814     // WidenIVUse.
815     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
816       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
817     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
818       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
819
820     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
821     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
822                                                     LHS, RHS,
823                                                     NarrowBO->getName());
824     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
825     Builder.Insert(WideBO);
826     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
827         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
828       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
829       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
830     }
831     return WideBO;
832   }
833 }
834
835 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
836 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
837 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
838 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
839 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
840   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
841   if (DU.NarrowUse->getOpcode() != Instruction::Add)
842     return 0;
843
844   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
845   // if extending the other will lead to a recurrence.
846   unsigned ExtendOperIdx = DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
847   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
848
849   const SCEV *ExtendOperExpr = 0;
850   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
851     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
852   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
853     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
854       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
855   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
856     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
857       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
858   else
859     return 0;
860
861   // When creating this AddExpr, don't apply the current operations NSW or NUW
862   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
863   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
864   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
865   // semantics to those operations.
866   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(
867     SE->getAddExpr(SE->getSCEV(DU.WideDef), ExtendOperExpr));
868
869   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
870     return 0;
871   return AddRec;
872 }
873
874 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
875 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
876 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
877 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
878 /// recurrence. Otherwise return NULL.
879 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
880   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
881     return 0;
882
883   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
884   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
885       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
886     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
887     // index. So don't follow this use.
888     return 0;
889   }
890
891   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
892     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
893     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
894   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
895   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
896     return 0;
897   return AddRec;
898 }
899
900 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
901 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
902 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
903   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
904   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
905   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
906 }
907
908 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
909 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
910 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
911
912   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
913   if (isa<PHINode>(DU.NarrowUse) &&
914       LI->getLoopFor(DU.NarrowUse->getParent()) != L) {
915     truncateIVUse(DU, DT);
916     return 0;
917   }
918   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
919   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
920     Value *NewDef = DU.WideDef;
921     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
922       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
923       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
924       if (CastWidth < IVWidth) {
925         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
926         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
927         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
928       }
929       else {
930         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
931         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
932         // dead. It should be very rare.
933         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
934               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
935         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
936         NewDef = DU.NarrowUse;
937       }
938     }
939     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
940       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
941             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
942       ++NumElimExt;
943       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
944       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
945     }
946     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
947     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
948     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
949     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
950     // push the uses of WideDef here.
951
952     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
953     return 0;
954   }
955
956   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
957   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
958   if (!WideAddRec) {
959       WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
960   }
961   if (!WideAddRec) {
962     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
963     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
964     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
965     truncateIVUse(DU, DT);
966     return 0;
967   }
968   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
969   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
970   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
971          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
972
973   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
974   // NarrowUse.
975   Instruction *WideUse = 0;
976   if (WideAddRec == WideIncExpr
977       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
978     WideUse = WideInc;
979   else {
980     WideUse = CloneIVUser(DU);
981     if (!WideUse)
982       return 0;
983   }
984   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
985   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
986   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
987   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
988   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
989   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
990     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
991           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
992     DeadInsts.push_back(WideUse);
993     return 0;
994   }
995
996   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
997   return WideUse;
998 }
999
1000 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1001 ///
1002 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1003   for (Value::use_iterator UI = NarrowDef->use_begin(),
1004          UE = NarrowDef->use_end(); UI != UE; ++UI) {
1005     Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(*UI);
1006
1007     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1008     if (!Widened.insert(NarrowUse))
1009       continue;
1010
1011     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUse, WideDef));
1012   }
1013 }
1014
1015 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1016 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1017 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1018 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1019 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1020 /// DeleteDeadPHIs.
1021 ///
1022 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1023 /// invalidating SCEV expressions.
1024 ///
1025 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1026   // Is this phi an induction variable?
1027   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1028   if (!AddRec)
1029     return NULL;
1030
1031   // Widen the induction variable expression.
1032   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1033     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1034     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1035
1036   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1037          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1038
1039   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1040   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1041   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1042     return NULL;
1043
1044   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1045   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1046   // operands, so they must dominate the loop header.
1047   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1048          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1049          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1050
1051   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1052   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1053   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1054   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1055   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1056   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1057
1058   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1059   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1060   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1061   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1062   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1063     WideInc =
1064       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1065     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1066   }
1067
1068   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1069   ++NumWidened;
1070
1071   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1072   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1073
1074   Widened.insert(OrigPhi);
1075   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1076
1077   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1078     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1079
1080     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1081     // use_iterator across it.
1082     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1083
1084     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1085     if (WideUse)
1086       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1087
1088     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1089     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1090       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1091   }
1092   return WidePhi;
1093 }
1094
1095 //===----------------------------------------------------------------------===//
1096 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1097 //===----------------------------------------------------------------------===//
1098
1099
1100 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1101 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1102 /// themselves be candidates for simplification.
1103 ///
1104 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1105 ///
1106 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1107                                        SCEVExpander &Rewriter,
1108                                        LPPassManager &LPM) {
1109   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1110
1111   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1112   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1113     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1114   }
1115   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1116   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1117   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1118   // simplification on the wide IVs.
1119   while (!LoopPhis.empty()) {
1120     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1121     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1122     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1123     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1124     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1125     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1126     do {
1127       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1128
1129       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1130       WideIVVisitor WIV(CurrIV, SE, TD, DT);
1131       if (ReduceLiveIVs)
1132         WIV.setSplitOverflowIntrinsics();
1133
1134       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &WIV);
1135
1136       if (WIV.WI.WidestNativeType) {
1137         WideIVs.push_back(WIV.WI);
1138       }
1139     } while(!LoopPhis.empty());
1140
1141     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1142       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1143       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1144         Changed = true;
1145         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1146       }
1147     }
1148   }
1149 }
1150
1151 //===----------------------------------------------------------------------===//
1152 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1153 //===----------------------------------------------------------------------===//
1154
1155 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1156 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1157 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1158 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1159                                 SmallPtrSet<const SCEV*, 8> &Processed,
1160                                 ScalarEvolution *SE) {
1161   if (!Processed.insert(S))
1162     return false;
1163
1164   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1165   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1166   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1167   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1168   // forego rewriting the loop.
1169   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1170     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1171     if (!OrigCond) return true;
1172     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1173     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1174     if (R != S) {
1175       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1176       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1177       if (L != S)
1178         return true;
1179     }
1180   }
1181
1182   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1183   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1184   // they are not too expensive rematerialize.
1185   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1186     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1187          I != E; ++I) {
1188       if (isHighCostExpansion(*I, BI, Processed, SE))
1189         return true;
1190     }
1191     return false;
1192   }
1193
1194   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1195   // the exit condition.
1196   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1197     return true;
1198
1199   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1200   // expression produced by program code.
1201   return false;
1202 }
1203
1204 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1205 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1206 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1207 ///
1208 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1209 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1210 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1211 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1212 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1213 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1214 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1215 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1216 /// into inequality tests.
1217 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1218   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1219   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1220       BackedgeTakenCount->isZero())
1221     return false;
1222
1223   if (!L->getExitingBlock())
1224     return false;
1225
1226   // Can't rewrite non-branch yet.
1227   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1228   if (!BI)
1229     return false;
1230
1231   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
1232   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, Processed, SE))
1233     return false;
1234
1235   return true;
1236 }
1237
1238 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1239 /// invariant value to the phi.
1240 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1241   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1242   if (!IncI)
1243     return 0;
1244
1245   switch (IncI->getOpcode()) {
1246   case Instruction::Add:
1247   case Instruction::Sub:
1248     break;
1249   case Instruction::GetElementPtr:
1250     // An IV counter must preserve its type.
1251     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1252       break;
1253   default:
1254     return 0;
1255   }
1256
1257   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1258   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1259     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1260       return Phi;
1261     return 0;
1262   }
1263   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1264     return 0;
1265
1266   // Allow add/sub to be commuted.
1267   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1268   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1269     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1270       return Phi;
1271   }
1272   return 0;
1273 }
1274
1275 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1276 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1277   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1278
1279   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1280   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1281   if (!LatchBlock)
1282     return 0;
1283
1284   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1285   assert(BI && "expected exit branch");
1286
1287   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1288 }
1289
1290 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1291 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1292 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1293   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1294   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1295   if (!Cond)
1296     return true;
1297
1298   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1299   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1300   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1301     return true;
1302
1303   // Look for a loop invariant RHS
1304   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1305   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1306   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1307     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1308       return true;
1309     std::swap(LHS, RHS);
1310   }
1311   // Look for a simple IV counter LHS
1312   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1313   if (!Phi)
1314     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1315
1316   if (!Phi)
1317     return true;
1318
1319   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1320   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1321   if (Idx < 0)
1322     return true;
1323
1324   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1325   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1326   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1327 }
1328
1329 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1330 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1331 /// that may hide undef.
1332 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSet<Value*, 8> &Visited,
1333                                unsigned Depth) {
1334   if (isa<Constant>(V))
1335     return !isa<UndefValue>(V);
1336
1337   if (Depth >= 6)
1338     return false;
1339
1340   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1341   // may be undef.
1342   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1343   if (!I)
1344     return false;
1345
1346   // Load and return values may be undef.
1347   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1348     return false;
1349
1350   // Optimistically handle other instructions.
1351   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1352     if (!Visited.insert(*OI))
1353       continue;
1354     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1355       return false;
1356   }
1357   return true;
1358 }
1359
1360 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1361 /// never reach it.
1362 ///
1363 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1364 /// may factor it into a common location.
1365 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1366   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1367   Visited.insert(V);
1368   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1369 }
1370
1371 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1372 /// be rewritten) loop exit test.
1373 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1374   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1375   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1376
1377   for (Value::use_iterator UI = Phi->use_begin(), UE = Phi->use_end();
1378        UI != UE; ++UI) {
1379     if (*UI != Cond && *UI != IncV) return false;
1380   }
1381
1382   for (Value::use_iterator UI = IncV->use_begin(), UE = IncV->use_end();
1383        UI != UE; ++UI) {
1384     if (*UI != Cond && *UI != Phi) return false;
1385   }
1386   return true;
1387 }
1388
1389 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1390 ///
1391 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1392 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1393 /// expression as far as SCEV is concerned.
1394 ///
1395 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1396 ///
1397 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1398 ///
1399 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1400 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1401 /// could at least handle constant BECounts.
1402 static PHINode *
1403 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1404                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const DataLayout *TD) {
1405   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1406
1407   Value *Cond =
1408     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1409
1410   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1411   PHINode *BestPhi = 0;
1412   const SCEV *BestInit = 0;
1413   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1414   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1415
1416   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1417     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1418     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1419       continue;
1420
1421     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1422     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1423       continue;
1424
1425     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1426     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1427       continue;
1428
1429     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1430     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1431     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1432     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1433     if (PhiWidth < BCWidth || (TD && !TD->isLegalInteger(PhiWidth)))
1434       continue;
1435
1436     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1437     if (!Step || !Step->isOne())
1438       continue;
1439
1440     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1441     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1442     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1443       continue;
1444
1445     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1446     // have originally had a concrete definition.
1447     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1448       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1449       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1450       // increase the number of undef users.
1451       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1452         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1453             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1454           continue;
1455         }
1456       }
1457     }
1458     const SCEV *Init = AR->getStart();
1459
1460     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1461       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1462       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1463         continue;
1464
1465       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1466       // also prefers integer to pointer IVs.
1467       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1468         if (BestInit->isZero())
1469           continue;
1470       }
1471       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1472       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1473       // to allow the other to be eliminated.
1474       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1475         continue;
1476     }
1477     BestPhi = Phi;
1478     BestInit = Init;
1479   }
1480   return BestPhi;
1481 }
1482
1483 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1484 /// holds the RHS of the new loop test.
1485 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1486                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1487   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1488   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1489   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1490
1491   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1492   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1493   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1494   // the existing GEPs whenever possible.
1495   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1496       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1497
1498     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1499     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1500     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1501     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1502     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1503     // extend IVCount.
1504     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1505     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1506
1507     // Expand the code for the iteration count.
1508     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1509            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1510     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1511     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1512
1513     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1514     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1515     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1516     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1517     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1518              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1519            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1520
1521     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1522     return Builder.CreateGEP(GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1523   }
1524   else {
1525     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1526     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1527     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1528     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1529     //
1530     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1531     // for simple memset-style loops.
1532     //
1533     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1534     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1535
1536     const SCEV *IVLimit = 0;
1537     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1538     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1539     if (AR->getStart()->isZero())
1540       IVLimit = IVCount;
1541     else {
1542       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1543       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1544
1545       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1546       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1547           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1548         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1549
1550       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1551     }
1552     // Expand the code for the iteration count.
1553     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1554     IRBuilder<> Builder(BI);
1555     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1556            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1557     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1558     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1559     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1560     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1561       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1562     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1563   }
1564 }
1565
1566 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1567 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1568 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1569 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1570 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1571 Value *IndVarSimplify::
1572 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1573                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1574                           PHINode *IndVar,
1575                           SCEVExpander &Rewriter) {
1576   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1577
1578   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1579   Value *CmpIndVar = IndVar;
1580   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1581
1582   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1583   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1584   // against the preincremented value.
1585   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1586     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1587     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1588     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1589     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1590                              SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
1591     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1592     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1593     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1594     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1595   }
1596
1597   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1598   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1599          && "genLoopLimit missed a cast");
1600
1601   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1602   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1603   ICmpInst::Predicate P;
1604   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1605     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1606   else
1607     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1608
1609   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1610                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1611                << "       op:\t"
1612                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1613                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1614                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1615
1616   IRBuilder<> Builder(BI);
1617
1618   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1619   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1620   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1621   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1622   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1623     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1624     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1625     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1626     // For constant IVCount, avoid truncation.
1627     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1628       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1629       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1630       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1631       // above such that IVCount is now zero.
1632       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1633         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1634         ++Count;
1635       }
1636       else
1637         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1638       APInt NewLimit;
1639       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1640         NewLimit = Start - Count;
1641       else
1642         NewLimit = Start + Count;
1643       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1644
1645       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1646     } else {
1647       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1648                                       "lftr.wideiv");
1649     }
1650   }
1651   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1652   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1653   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1654   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1655   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1656   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1657   // will make old comparison dead.
1658   BI->setCondition(Cond);
1659   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1660
1661   ++NumLFTR;
1662   Changed = true;
1663   return Cond;
1664 }
1665
1666 //===----------------------------------------------------------------------===//
1667 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1668 //===----------------------------------------------------------------------===//
1669
1670 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1671 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1672 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1673 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1674   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1675   if (!ExitBlock) return;
1676
1677   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1678   if (!Preheader) return;
1679
1680   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1681   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1682   while (I != Preheader->begin()) {
1683     --I;
1684     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1685     if (isa<PHINode>(I))
1686       break;
1687
1688     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1689     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1690     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1691     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1692     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1693     // block.
1694     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1695       continue;
1696
1697     // Skip debug info intrinsics.
1698     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1699       continue;
1700
1701     // Skip landingpad instructions.
1702     if (isa<LandingPadInst>(I))
1703       continue;
1704
1705     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1706     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1707     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1708     // FIXME: Refactor this check somehow?
1709     if (isa<AllocaInst>(I))
1710       continue;
1711
1712     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1713     // otherwise).
1714     bool UsedInLoop = false;
1715     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1716          UI != UE; ++UI) {
1717       User *U = *UI;
1718       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1719       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1720         unsigned i =
1721           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1722         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1723       }
1724       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1725         UsedInLoop = true;
1726         break;
1727       }
1728     }
1729
1730     // If there is, the def must remain in the preheader.
1731     if (UsedInLoop)
1732       continue;
1733
1734     // Otherwise, sink it to the exit block.
1735     Instruction *ToMove = I;
1736     bool Done = false;
1737
1738     if (I != Preheader->begin()) {
1739       // Skip debug info intrinsics.
1740       do {
1741         --I;
1742       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1743
1744       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1745         Done = true;
1746     } else {
1747       Done = true;
1748     }
1749
1750     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1751     if (Done) break;
1752     InsertPt = ToMove;
1753   }
1754 }
1755
1756 //===----------------------------------------------------------------------===//
1757 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1758 //===----------------------------------------------------------------------===//
1759
1760 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1761   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1762   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1763   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1764   //    afterwards.
1765   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1766   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1767   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1768   //    we've manually inserted one.
1769   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1770     return false;
1771
1772   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1773   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1774   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1775   TD = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
1776   TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
1777
1778   DeadInsts.clear();
1779   Changed = false;
1780
1781   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1782   // transform them to use integer recurrences.
1783   RewriteNonIntegerIVs(L);
1784
1785   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1786
1787   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1788   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1789 #ifndef NDEBUG
1790   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1791 #endif
1792
1793   // Eliminate redundant IV users.
1794   //
1795   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1796   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1797   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1798   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1799   Rewriter.disableCanonicalMode();
1800   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1801
1802   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1803   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1804   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1805   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1806   // the current expressions.
1807   //
1808   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1809     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1810
1811   // Eliminate redundant IV cycles.
1812   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
1813
1814   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1815   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1816   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && needsLFTR(L, DT)) {
1817     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, TD);
1818     if (IndVar) {
1819       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1820       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1821       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1822       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops, while
1823       // LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1824       //
1825       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1826       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1827       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1828       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1829         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
1830                                         Rewriter);
1831     }
1832   }
1833   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1834   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1835   // trigger.
1836   Rewriter.clear();
1837
1838   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1839   // which are now dead.
1840   while (!DeadInsts.empty())
1841     if (Instruction *Inst =
1842           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1843       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
1844
1845   // The Rewriter may not be used from this point on.
1846
1847   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1848   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1849   SinkUnusedInvariants(L);
1850
1851   // Clean up dead instructions.
1852   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
1853   // Check a post-condition.
1854   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
1855          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1856
1857   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
1858   // ability to compute trip count.
1859 #ifndef NDEBUG
1860   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
1861     SE->forgetLoop(L);
1862     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1863     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
1864         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
1865       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
1866                                          BackedgeTakenCount->getType());
1867     else
1868       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
1869                                                  NewBECount->getType());
1870     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
1871   }
1872 #endif
1873
1874   return Changed;
1875 }