08fdcc38c045d8a48545756efe2f1f0930d82b42
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / InductiveRangeCheckElimination.cpp
1 //===-- InductiveRangeCheckElimination.cpp - ------------------------------===//
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 // The InductiveRangeCheckElimination pass splits a loop's iteration space into
10 // three disjoint ranges.  It does that in a way such that the loop running in
11 // the middle loop provably does not need range checks. As an example, it will
12 // convert
13 //
14 //   len = < known positive >
15 //   for (i = 0; i < n; i++) {
16 //     if (0 <= i && i < len) {
17 //       do_something();
18 //     } else {
19 //       throw_out_of_bounds();
20 //     }
21 //   }
22 //
23 // to
24 //
25 //   len = < known positive >
26 //   limit = smin(n, len)
27 //   // no first segment
28 //   for (i = 0; i < limit; i++) {
29 //     if (0 <= i && i < len) { // this check is fully redundant
30 //       do_something();
31 //     } else {
32 //       throw_out_of_bounds();
33 //     }
34 //   }
35 //   for (i = limit; i < n; i++) {
36 //     if (0 <= i && i < len) {
37 //       do_something();
38 //     } else {
39 //       throw_out_of_bounds();
40 //     }
41 //   }
42 //===----------------------------------------------------------------------===//
43
44 #include "llvm/ADT/Optional.h"
45 #include "llvm/Analysis/BranchProbabilityInfo.h"
46 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
47 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
48 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
49 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
50 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
52 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
53 #include "llvm/IR/Dominators.h"
54 #include "llvm/IR/Function.h"
55 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
56 #include "llvm/IR/Instructions.h"
57 #include "llvm/IR/Module.h"
58 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
59 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
60 #include "llvm/IR/Verifier.h"
61 #include "llvm/Pass.h"
62 #include "llvm/Support/Debug.h"
63 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
64 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
65 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
66 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
67 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
68 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
69 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
70 #include <array>
71
72 using namespace llvm;
73
74 static cl::opt<unsigned> LoopSizeCutoff("irce-loop-size-cutoff", cl::Hidden,
75                                         cl::init(64));
76
77 static cl::opt<bool> PrintChangedLoops("irce-print-changed-loops", cl::Hidden,
78                                        cl::init(false));
79
80 static cl::opt<bool> PrintRangeChecks("irce-print-range-checks", cl::Hidden,
81                                       cl::init(false));
82
83 static cl::opt<int> MaxExitProbReciprocal("irce-max-exit-prob-reciprocal",
84                                           cl::Hidden, cl::init(10));
85
86 #define DEBUG_TYPE "irce"
87
88 namespace {
89
90 /// An inductive range check is conditional branch in a loop with
91 ///
92 ///  1. a very cold successor (i.e. the branch jumps to that successor very
93 ///     rarely)
94 ///
95 ///  and
96 ///
97 ///  2. a condition that is provably true for some contiguous range of values
98 ///     taken by the containing loop's induction variable.
99 ///
100 class InductiveRangeCheck {
101   // Classifies a range check
102   enum RangeCheckKind : unsigned {
103     // Range check of the form "0 <= I".
104     RANGE_CHECK_LOWER = 1,
105
106     // Range check of the form "I < L" where L is known positive.
107     RANGE_CHECK_UPPER = 2,
108
109     // The logical and of the RANGE_CHECK_LOWER and RANGE_CHECK_UPPER
110     // conditions.
111     RANGE_CHECK_BOTH = RANGE_CHECK_LOWER | RANGE_CHECK_UPPER,
112
113     // Unrecognized range check condition.
114     RANGE_CHECK_UNKNOWN = (unsigned)-1
115   };
116
117   static const char *rangeCheckKindToStr(RangeCheckKind);
118
119   const SCEV *Offset;
120   const SCEV *Scale;
121   Value *Length;
122   BranchInst *Branch;
123   RangeCheckKind Kind;
124
125   static RangeCheckKind parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
126                                             ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
127                                             Value *&Length);
128
129   static InductiveRangeCheck::RangeCheckKind
130   parseRangeCheck(Loop *L, ScalarEvolution &SE, Value *Condition,
131                   const SCEV *&Index, Value *&UpperLimit);
132
133   InductiveRangeCheck() :
134     Offset(nullptr), Scale(nullptr), Length(nullptr), Branch(nullptr) { }
135
136 public:
137   const SCEV *getOffset() const { return Offset; }
138   const SCEV *getScale() const { return Scale; }
139   Value *getLength() const { return Length; }
140
141   void print(raw_ostream &OS) const {
142     OS << "InductiveRangeCheck:\n";
143     OS << "  Kind: " << rangeCheckKindToStr(Kind) << "\n";
144     OS << "  Offset: ";
145     Offset->print(OS);
146     OS << "  Scale: ";
147     Scale->print(OS);
148     OS << "  Length: ";
149     if (Length)
150       Length->print(OS);
151     else
152       OS << "(null)";
153     OS << "\n  Branch: ";
154     getBranch()->print(OS);
155     OS << "\n";
156   }
157
158 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
159   void dump() {
160     print(dbgs());
161   }
162 #endif
163
164   BranchInst *getBranch() const { return Branch; }
165
166   /// Represents an signed integer range [Range.getBegin(), Range.getEnd()).  If
167   /// R.getEnd() sle R.getBegin(), then R denotes the empty range.
168
169   class Range {
170     const SCEV *Begin;
171     const SCEV *End;
172
173   public:
174     Range(const SCEV *Begin, const SCEV *End) : Begin(Begin), End(End) {
175       assert(Begin->getType() == End->getType() && "ill-typed range!");
176     }
177
178     Type *getType() const { return Begin->getType(); }
179     const SCEV *getBegin() const { return Begin; }
180     const SCEV *getEnd() const { return End; }
181   };
182
183   typedef SpecificBumpPtrAllocator<InductiveRangeCheck> AllocatorTy;
184
185   /// This is the value the condition of the branch needs to evaluate to for the
186   /// branch to take the hot successor (see (1) above).
187   bool getPassingDirection() { return true; }
188
189   /// Computes a range for the induction variable (IndVar) in which the range
190   /// check is redundant and can be constant-folded away.  The induction
191   /// variable is not required to be the canonical {0,+,1} induction variable.
192   Optional<Range> computeSafeIterationSpace(ScalarEvolution &SE,
193                                             const SCEVAddRecExpr *IndVar,
194                                             IRBuilder<> &B) const;
195
196   /// Create an inductive range check out of BI if possible, else return
197   /// nullptr.
198   static InductiveRangeCheck *create(AllocatorTy &Alloc, BranchInst *BI,
199                                      Loop *L, ScalarEvolution &SE,
200                                      BranchProbabilityInfo &BPI);
201 };
202
203 class InductiveRangeCheckElimination : public LoopPass {
204   InductiveRangeCheck::AllocatorTy Allocator;
205
206 public:
207   static char ID;
208   InductiveRangeCheckElimination() : LoopPass(ID) {
209     initializeInductiveRangeCheckEliminationPass(
210         *PassRegistry::getPassRegistry());
211   }
212
213   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
214     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
215     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
216     AU.addRequiredID(LCSSAID);
217     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
218     AU.addRequired<BranchProbabilityInfoWrapperPass>();
219   }
220
221   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
222 };
223
224 char InductiveRangeCheckElimination::ID = 0;
225 }
226
227 INITIALIZE_PASS(InductiveRangeCheckElimination, "irce",
228                 "Inductive range check elimination", false, false)
229
230 const char *InductiveRangeCheck::rangeCheckKindToStr(
231     InductiveRangeCheck::RangeCheckKind RCK) {
232   switch (RCK) {
233   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN:
234     return "RANGE_CHECK_UNKNOWN";
235
236   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UPPER:
237     return "RANGE_CHECK_UPPER";
238
239   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER:
240     return "RANGE_CHECK_LOWER";
241
242   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_BOTH:
243     return "RANGE_CHECK_BOTH";
244   }
245
246   llvm_unreachable("unknown range check type!");
247 }
248
249 /// Parse a single ICmp instruction, `ICI`, into a range check.  If `ICI`
250 /// cannot
251 /// be interpreted as a range check, return `RANGE_CHECK_UNKNOWN` and set
252 /// `Index` and `Length` to `nullptr`.  Otherwise set `Index` to the value
253 /// being
254 /// range checked, and set `Length` to the upper limit `Index` is being range
255 /// checked with if (and only if) the range check type is stronger or equal to
256 /// RANGE_CHECK_UPPER.
257 ///
258 InductiveRangeCheck::RangeCheckKind
259 InductiveRangeCheck::parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
260                                          ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
261                                          Value *&Length) {
262
263   auto IsNonNegativeAndNotLoopVarying = [&SE, L](Value *V) {
264     const SCEV *S = SE.getSCEV(V);
265     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(S))
266       return false;
267
268     return SE.getLoopDisposition(S, L) == ScalarEvolution::LoopInvariant &&
269            SE.isKnownNonNegative(S);
270   };
271
272   using namespace llvm::PatternMatch;
273
274   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
275   Value *LHS = ICI->getOperand(0);
276   Value *RHS = ICI->getOperand(1);
277
278   switch (Pred) {
279   default:
280     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
281
282   case ICmpInst::ICMP_SLE:
283     std::swap(LHS, RHS);
284   // fallthrough
285   case ICmpInst::ICMP_SGE:
286     if (match(RHS, m_ConstantInt<0>())) {
287       Index = LHS;
288       return RANGE_CHECK_LOWER;
289     }
290     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
291
292   case ICmpInst::ICMP_SLT:
293     std::swap(LHS, RHS);
294   // fallthrough
295   case ICmpInst::ICMP_SGT:
296     if (match(RHS, m_ConstantInt<-1>())) {
297       Index = LHS;
298       return RANGE_CHECK_LOWER;
299     }
300
301     if (IsNonNegativeAndNotLoopVarying(LHS)) {
302       Index = RHS;
303       Length = LHS;
304       return RANGE_CHECK_UPPER;
305     }
306     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
307
308   case ICmpInst::ICMP_ULT:
309     std::swap(LHS, RHS);
310   // fallthrough
311   case ICmpInst::ICMP_UGT:
312     if (IsNonNegativeAndNotLoopVarying(LHS)) {
313       Index = RHS;
314       Length = LHS;
315       return RANGE_CHECK_BOTH;
316     }
317     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
318   }
319
320   llvm_unreachable("default clause returns!");
321 }
322
323 /// Parses an arbitrary condition into a range check.  `Length` is set only if
324 /// the range check is recognized to be `RANGE_CHECK_UPPER` or stronger.
325 InductiveRangeCheck::RangeCheckKind
326 InductiveRangeCheck::parseRangeCheck(Loop *L, ScalarEvolution &SE,
327                                      Value *Condition, const SCEV *&Index,
328                                      Value *&Length) {
329   using namespace llvm::PatternMatch;
330
331   Value *A = nullptr;
332   Value *B = nullptr;
333
334   if (match(Condition, m_And(m_Value(A), m_Value(B)))) {
335     Value *IndexA = nullptr, *IndexB = nullptr;
336     Value *LengthA = nullptr, *LengthB = nullptr;
337     ICmpInst *ICmpA = dyn_cast<ICmpInst>(A), *ICmpB = dyn_cast<ICmpInst>(B);
338
339     if (!ICmpA || !ICmpB)
340       return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
341
342     auto RCKindA = parseRangeCheckICmp(L, ICmpA, SE, IndexA, LengthA);
343     auto RCKindB = parseRangeCheckICmp(L, ICmpB, SE, IndexB, LengthB);
344
345     if (RCKindA == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN ||
346         RCKindB == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN)
347       return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
348
349     if (IndexA != IndexB)
350       return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
351
352     if (LengthA != nullptr && LengthB != nullptr && LengthA != LengthB)
353       return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
354
355     Index = SE.getSCEV(IndexA);
356     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Index))
357       return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
358
359     Length = LengthA == nullptr ? LengthB : LengthA;
360
361     return (InductiveRangeCheck::RangeCheckKind)(RCKindA | RCKindB);
362   }
363
364   if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(Condition)) {
365     Value *IndexVal = nullptr;
366
367     auto RCKind = parseRangeCheckICmp(L, ICI, SE, IndexVal, Length);
368
369     if (RCKind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN)
370       return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
371
372     Index = SE.getSCEV(IndexVal);
373     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Index))
374       return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
375
376     return RCKind;
377   }
378
379   return InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN;
380 }
381
382
383 InductiveRangeCheck *
384 InductiveRangeCheck::create(InductiveRangeCheck::AllocatorTy &A, BranchInst *BI,
385                             Loop *L, ScalarEvolution &SE,
386                             BranchProbabilityInfo &BPI) {
387
388   if (BI->isUnconditional() || BI->getParent() == L->getLoopLatch())
389     return nullptr;
390
391   BranchProbability LikelyTaken(15, 16);
392
393   if (BPI.getEdgeProbability(BI->getParent(), (unsigned) 0) < LikelyTaken)
394     return nullptr;
395
396   Value *Length = nullptr;
397   const SCEV *IndexSCEV = nullptr;
398
399   auto RCKind = InductiveRangeCheck::parseRangeCheck(L, SE, BI->getCondition(),
400                                                      IndexSCEV, Length);
401
402   if (RCKind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN)
403     return nullptr;
404
405   assert(IndexSCEV && "contract with SplitRangeCheckCondition!");
406   assert((!(RCKind & InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UPPER) || Length) &&
407          "contract with SplitRangeCheckCondition!");
408
409   const SCEVAddRecExpr *IndexAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IndexSCEV);
410   bool IsAffineIndex =
411       IndexAddRec && (IndexAddRec->getLoop() == L) && IndexAddRec->isAffine();
412
413   if (!IsAffineIndex)
414     return nullptr;
415
416   InductiveRangeCheck *IRC = new (A.Allocate()) InductiveRangeCheck;
417   IRC->Length = Length;
418   IRC->Offset = IndexAddRec->getStart();
419   IRC->Scale = IndexAddRec->getStepRecurrence(SE);
420   IRC->Branch = BI;
421   IRC->Kind = RCKind;
422   return IRC;
423 }
424
425 namespace {
426
427 // Keeps track of the structure of a loop.  This is similar to llvm::Loop,
428 // except that it is more lightweight and can track the state of a loop through
429 // changing and potentially invalid IR.  This structure also formalizes the
430 // kinds of loops we can deal with -- ones that have a single latch that is also
431 // an exiting block *and* have a canonical induction variable.
432 struct LoopStructure {
433   const char *Tag;
434
435   BasicBlock *Header;
436   BasicBlock *Latch;
437
438   // `Latch's terminator instruction is `LatchBr', and it's `LatchBrExitIdx'th
439   // successor is `LatchExit', the exit block of the loop.
440   BranchInst *LatchBr;
441   BasicBlock *LatchExit;
442   unsigned LatchBrExitIdx;
443
444   Value *IndVarNext;
445   Value *IndVarStart;
446   Value *LoopExitAt;
447   bool IndVarIncreasing;
448
449   LoopStructure()
450       : Tag(""), Header(nullptr), Latch(nullptr), LatchBr(nullptr),
451         LatchExit(nullptr), LatchBrExitIdx(-1), IndVarNext(nullptr),
452         IndVarStart(nullptr), LoopExitAt(nullptr), IndVarIncreasing(false) {}
453
454   template <typename M> LoopStructure map(M Map) const {
455     LoopStructure Result;
456     Result.Tag = Tag;
457     Result.Header = cast<BasicBlock>(Map(Header));
458     Result.Latch = cast<BasicBlock>(Map(Latch));
459     Result.LatchBr = cast<BranchInst>(Map(LatchBr));
460     Result.LatchExit = cast<BasicBlock>(Map(LatchExit));
461     Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
462     Result.IndVarNext = Map(IndVarNext);
463     Result.IndVarStart = Map(IndVarStart);
464     Result.LoopExitAt = Map(LoopExitAt);
465     Result.IndVarIncreasing = IndVarIncreasing;
466     return Result;
467   }
468
469   static Optional<LoopStructure> parseLoopStructure(ScalarEvolution &,
470                                                     BranchProbabilityInfo &BPI,
471                                                     Loop &,
472                                                     const char *&);
473 };
474
475 /// This class is used to constrain loops to run within a given iteration space.
476 /// The algorithm this class implements is given a Loop and a range [Begin,
477 /// End).  The algorithm then tries to break out a "main loop" out of the loop
478 /// it is given in a way that the "main loop" runs with the induction variable
479 /// in a subset of [Begin, End).  The algorithm emits appropriate pre and post
480 /// loops to run any remaining iterations.  The pre loop runs any iterations in
481 /// which the induction variable is < Begin, and the post loop runs any
482 /// iterations in which the induction variable is >= End.
483 ///
484 class LoopConstrainer {
485   // The representation of a clone of the original loop we started out with.
486   struct ClonedLoop {
487     // The cloned blocks
488     std::vector<BasicBlock *> Blocks;
489
490     // `Map` maps values in the clonee into values in the cloned version
491     ValueToValueMapTy Map;
492
493     // An instance of `LoopStructure` for the cloned loop
494     LoopStructure Structure;
495   };
496
497   // Result of rewriting the range of a loop.  See changeIterationSpaceEnd for
498   // more details on what these fields mean.
499   struct RewrittenRangeInfo {
500     BasicBlock *PseudoExit;
501     BasicBlock *ExitSelector;
502     std::vector<PHINode *> PHIValuesAtPseudoExit;
503     PHINode *IndVarEnd;
504
505     RewrittenRangeInfo()
506         : PseudoExit(nullptr), ExitSelector(nullptr), IndVarEnd(nullptr) {}
507   };
508
509   // Calculated subranges we restrict the iteration space of the main loop to.
510   // See the implementation of `calculateSubRanges' for more details on how
511   // these fields are computed.  `LowLimit` is None if there is no restriction
512   // on low end of the restricted iteration space of the main loop.  `HighLimit`
513   // is None if there is no restriction on high end of the restricted iteration
514   // space of the main loop.
515
516   struct SubRanges {
517     Optional<const SCEV *> LowLimit;
518     Optional<const SCEV *> HighLimit;
519   };
520
521   // A utility function that does a `replaceUsesOfWith' on the incoming block
522   // set of a `PHINode' -- replaces instances of `Block' in the `PHINode's
523   // incoming block list with `ReplaceBy'.
524   static void replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
525                               BasicBlock *ReplaceBy);
526
527   // Compute a safe set of limits for the main loop to run in -- effectively the
528   // intersection of `Range' and the iteration space of the original loop.
529   // Return None if unable to compute the set of subranges.
530   //
531   Optional<SubRanges> calculateSubRanges() const;
532
533   // Clone `OriginalLoop' and return the result in CLResult.  The IR after
534   // running `cloneLoop' is well formed except for the PHI nodes in CLResult --
535   // the PHI nodes say that there is an incoming edge from `OriginalPreheader`
536   // but there is no such edge.
537   //
538   void cloneLoop(ClonedLoop &CLResult, const char *Tag) const;
539
540   // Rewrite the iteration space of the loop denoted by (LS, Preheader). The
541   // iteration space of the rewritten loop ends at ExitLoopAt.  The start of the
542   // iteration space is not changed.  `ExitLoopAt' is assumed to be slt
543   // `OriginalHeaderCount'.
544   //
545   // If there are iterations left to execute, control is made to jump to
546   // `ContinuationBlock', otherwise they take the normal loop exit.  The
547   // returned `RewrittenRangeInfo' object is populated as follows:
548   //
549   //  .PseudoExit is a basic block that unconditionally branches to
550   //      `ContinuationBlock'.
551   //
552   //  .ExitSelector is a basic block that decides, on exit from the loop,
553   //      whether to branch to the "true" exit or to `PseudoExit'.
554   //
555   //  .PHIValuesAtPseudoExit are PHINodes in `PseudoExit' that compute the value
556   //      for each PHINode in the loop header on taking the pseudo exit.
557   //
558   // After changeIterationSpaceEnd, `Preheader' is no longer a legitimate
559   // preheader because it is made to branch to the loop header only
560   // conditionally.
561   //
562   RewrittenRangeInfo
563   changeIterationSpaceEnd(const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader,
564                           Value *ExitLoopAt,
565                           BasicBlock *ContinuationBlock) const;
566
567   // The loop denoted by `LS' has `OldPreheader' as its preheader.  This
568   // function creates a new preheader for `LS' and returns it.
569   //
570   BasicBlock *createPreheader(const LoopStructure &LS, BasicBlock *OldPreheader,
571                               const char *Tag) const;
572
573   // `ContinuationBlockAndPreheader' was the continuation block for some call to
574   // `changeIterationSpaceEnd' and is the preheader to the loop denoted by `LS'.
575   // This function rewrites the PHI nodes in `LS.Header' to start with the
576   // correct value.
577   void rewriteIncomingValuesForPHIs(
578       LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlockAndPreheader,
579       const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const;
580
581   // Even though we do not preserve any passes at this time, we at least need to
582   // keep the parent loop structure consistent.  The `LPPassManager' seems to
583   // verify this after running a loop pass.  This function adds the list of
584   // blocks denoted by BBs to this loops parent loop if required.
585   void addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs);
586
587   // Some global state.
588   Function &F;
589   LLVMContext &Ctx;
590   ScalarEvolution &SE;
591
592   // Information about the original loop we started out with.
593   Loop &OriginalLoop;
594   LoopInfo &OriginalLoopInfo;
595   const SCEV *LatchTakenCount;
596   BasicBlock *OriginalPreheader;
597
598   // The preheader of the main loop.  This may or may not be different from
599   // `OriginalPreheader'.
600   BasicBlock *MainLoopPreheader;
601
602   // The range we need to run the main loop in.
603   InductiveRangeCheck::Range Range;
604
605   // The structure of the main loop (see comment at the beginning of this class
606   // for a definition)
607   LoopStructure MainLoopStructure;
608
609 public:
610   LoopConstrainer(Loop &L, LoopInfo &LI, const LoopStructure &LS,
611                   ScalarEvolution &SE, InductiveRangeCheck::Range R)
612       : F(*L.getHeader()->getParent()), Ctx(L.getHeader()->getContext()),
613         SE(SE), OriginalLoop(L), OriginalLoopInfo(LI), LatchTakenCount(nullptr),
614         OriginalPreheader(nullptr), MainLoopPreheader(nullptr), Range(R),
615         MainLoopStructure(LS) {}
616
617   // Entry point for the algorithm.  Returns true on success.
618   bool run();
619 };
620
621 }
622
623 void LoopConstrainer::replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
624                                       BasicBlock *ReplaceBy) {
625   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
626     if (PN->getIncomingBlock(i) == Block)
627       PN->setIncomingBlock(i, ReplaceBy);
628 }
629
630 static bool CanBeSMax(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S) {
631   APInt SMax =
632       APInt::getSignedMaxValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
633   return SE.getSignedRange(S).contains(SMax) &&
634          SE.getUnsignedRange(S).contains(SMax);
635 }
636
637 static bool CanBeSMin(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S) {
638   APInt SMin =
639       APInt::getSignedMinValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
640   return SE.getSignedRange(S).contains(SMin) &&
641          SE.getUnsignedRange(S).contains(SMin);
642 }
643
644 Optional<LoopStructure>
645 LoopStructure::parseLoopStructure(ScalarEvolution &SE, BranchProbabilityInfo &BPI,
646                                   Loop &L, const char *&FailureReason) {
647   assert(L.isLoopSimplifyForm() && "should follow from addRequired<>");
648
649   BasicBlock *Latch = L.getLoopLatch();
650   if (!L.isLoopExiting(Latch)) {
651     FailureReason = "no loop latch";
652     return None;
653   }
654
655   BasicBlock *Header = L.getHeader();
656   BasicBlock *Preheader = L.getLoopPreheader();
657   if (!Preheader) {
658     FailureReason = "no preheader";
659     return None;
660   }
661
662   BranchInst *LatchBr = dyn_cast<BranchInst>(&*Latch->rbegin());
663   if (!LatchBr || LatchBr->isUnconditional()) {
664     FailureReason = "latch terminator not conditional branch";
665     return None;
666   }
667
668   unsigned LatchBrExitIdx = LatchBr->getSuccessor(0) == Header ? 1 : 0;
669
670   BranchProbability ExitProbability =
671     BPI.getEdgeProbability(LatchBr->getParent(), LatchBrExitIdx);
672
673   if (ExitProbability > BranchProbability(1, MaxExitProbReciprocal)) {
674     FailureReason = "short running loop, not profitable";
675     return None;
676   }
677
678   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LatchBr->getCondition());
679   if (!ICI || !isa<IntegerType>(ICI->getOperand(0)->getType())) {
680     FailureReason = "latch terminator branch not conditional on integral icmp";
681     return None;
682   }
683
684   const SCEV *LatchCount = SE.getExitCount(&L, Latch);
685   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchCount)) {
686     FailureReason = "could not compute latch count";
687     return None;
688   }
689
690   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
691   Value *LeftValue = ICI->getOperand(0);
692   const SCEV *LeftSCEV = SE.getSCEV(LeftValue);
693   IntegerType *IndVarTy = cast<IntegerType>(LeftValue->getType());
694
695   Value *RightValue = ICI->getOperand(1);
696   const SCEV *RightSCEV = SE.getSCEV(RightValue);
697
698   // We canonicalize `ICI` such that `LeftSCEV` is an add recurrence.
699   if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV)) {
700     if (isa<SCEVAddRecExpr>(RightSCEV)) {
701       std::swap(LeftSCEV, RightSCEV);
702       std::swap(LeftValue, RightValue);
703       Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
704     } else {
705       FailureReason = "no add recurrences in the icmp";
706       return None;
707     }
708   }
709
710   auto HasNoSignedWrap = [&](const SCEVAddRecExpr *AR) {
711     if (AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW))
712       return true;
713
714     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(AR->getType());
715     IntegerType *WideTy =
716         IntegerType::get(Ty->getContext(), Ty->getBitWidth() * 2);
717
718     const SCEVAddRecExpr *ExtendAfterOp =
719         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
720     if (ExtendAfterOp) {
721       const SCEV *ExtendedStart = SE.getSignExtendExpr(AR->getStart(), WideTy);
722       const SCEV *ExtendedStep =
723           SE.getSignExtendExpr(AR->getStepRecurrence(SE), WideTy);
724
725       bool NoSignedWrap = ExtendAfterOp->getStart() == ExtendedStart &&
726                           ExtendAfterOp->getStepRecurrence(SE) == ExtendedStep;
727
728       if (NoSignedWrap)
729         return true;
730     }
731
732     // We may have proved this when computing the sign extension above.
733     return AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW) != SCEV::FlagAnyWrap;
734   };
735
736   auto IsInductionVar = [&](const SCEVAddRecExpr *AR, bool &IsIncreasing) {
737     if (!AR->isAffine())
738       return false;
739
740     // Currently we only work with induction variables that have been proved to
741     // not wrap.  This restriction can potentially be lifted in the future.
742
743     if (!HasNoSignedWrap(AR))
744       return false;
745
746     if (const SCEVConstant *StepExpr =
747             dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(SE))) {
748       ConstantInt *StepCI = StepExpr->getValue();
749       if (StepCI->isOne() || StepCI->isMinusOne()) {
750         IsIncreasing = StepCI->isOne();
751         return true;
752       }
753     }
754
755     return false;
756   };
757
758   // `ICI` is interpreted as taking the backedge if the *next* value of the
759   // induction variable satisfies some constraint.
760
761   const SCEVAddRecExpr *IndVarNext = cast<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV);
762   bool IsIncreasing = false;
763   if (!IsInductionVar(IndVarNext, IsIncreasing)) {
764     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
765     return None;
766   }
767
768   ConstantInt *One = ConstantInt::get(IndVarTy, 1);
769   // TODO: generalize the predicates here to also match their unsigned variants.
770   if (IsIncreasing) {
771     bool FoundExpectedPred =
772         (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT && LatchBrExitIdx == 1) ||
773         (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT && LatchBrExitIdx == 0);
774
775     if (!FoundExpectedPred) {
776       FailureReason = "expected icmp slt semantically, found something else";
777       return None;
778     }
779
780     if (LatchBrExitIdx == 0) {
781       if (CanBeSMax(SE, RightSCEV)) {
782         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
783         // remember that the icmp was an slt and not an sle.
784         FailureReason = "limit may overflow when coercing sle to slt";
785         return None;
786       }
787
788       IRBuilder<> B(&*Preheader->rbegin());
789       RightValue = B.CreateAdd(RightValue, One);
790     }
791
792   } else {
793     bool FoundExpectedPred =
794         (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT && LatchBrExitIdx == 1) ||
795         (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT && LatchBrExitIdx == 0);
796
797     if (!FoundExpectedPred) {
798       FailureReason = "expected icmp sgt semantically, found something else";
799       return None;
800     }
801
802     if (LatchBrExitIdx == 0) {
803       if (CanBeSMin(SE, RightSCEV)) {
804         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
805         // remember that the icmp was an sgt and not an sge.
806         FailureReason = "limit may overflow when coercing sge to sgt";
807         return None;
808       }
809
810       IRBuilder<> B(&*Preheader->rbegin());
811       RightValue = B.CreateSub(RightValue, One);
812     }
813   }
814
815   const SCEV *StartNext = IndVarNext->getStart();
816   const SCEV *Addend = SE.getNegativeSCEV(IndVarNext->getStepRecurrence(SE));
817   const SCEV *IndVarStart = SE.getAddExpr(StartNext, Addend);
818
819   BasicBlock *LatchExit = LatchBr->getSuccessor(LatchBrExitIdx);
820
821   assert(SE.getLoopDisposition(LatchCount, &L) ==
822              ScalarEvolution::LoopInvariant &&
823          "loop variant exit count doesn't make sense!");
824
825   assert(!L.contains(LatchExit) && "expected an exit block!");
826   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
827   Value *IndVarStartV =
828       SCEVExpander(SE, DL, "irce")
829           .expandCodeFor(IndVarStart, IndVarTy, &*Preheader->rbegin());
830   IndVarStartV->setName("indvar.start");
831
832   LoopStructure Result;
833
834   Result.Tag = "main";
835   Result.Header = Header;
836   Result.Latch = Latch;
837   Result.LatchBr = LatchBr;
838   Result.LatchExit = LatchExit;
839   Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
840   Result.IndVarStart = IndVarStartV;
841   Result.IndVarNext = LeftValue;
842   Result.IndVarIncreasing = IsIncreasing;
843   Result.LoopExitAt = RightValue;
844
845   FailureReason = nullptr;
846
847   return Result;
848 }
849
850 Optional<LoopConstrainer::SubRanges>
851 LoopConstrainer::calculateSubRanges() const {
852   IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(LatchTakenCount->getType());
853
854   if (Range.getType() != Ty)
855     return None;
856
857   LoopConstrainer::SubRanges Result;
858
859   // I think we can be more aggressive here and make this nuw / nsw if the
860   // addition that feeds into the icmp for the latch's terminating branch is nuw
861   // / nsw.  In any case, a wrapping 2's complement addition is safe.
862   ConstantInt *One = ConstantInt::get(Ty, 1);
863   const SCEV *Start = SE.getSCEV(MainLoopStructure.IndVarStart);
864   const SCEV *End = SE.getSCEV(MainLoopStructure.LoopExitAt);
865
866   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
867
868   // We compute `Smallest` and `Greatest` such that [Smallest, Greatest) is the
869   // range of values the induction variable takes.
870
871   const SCEV *Smallest = nullptr, *Greatest = nullptr;
872
873   if (Increasing) {
874     Smallest = Start;
875     Greatest = End;
876   } else {
877     // These two computations may sign-overflow.  Here is why that is okay:
878     //
879     // We know that the induction variable does not sign-overflow on any
880     // iteration except the last one, and it starts at `Start` and ends at
881     // `End`, decrementing by one every time.
882     //
883     //  * if `Smallest` sign-overflows we know `End` is `INT_SMAX`. Since the
884     //    induction variable is decreasing we know that that the smallest value
885     //    the loop body is actually executed with is `INT_SMIN` == `Smallest`.
886     //
887     //  * if `Greatest` sign-overflows, we know it can only be `INT_SMIN`.  In
888     //    that case, `Clamp` will always return `Smallest` and
889     //    [`Result.LowLimit`, `Result.HighLimit`) = [`Smallest`, `Smallest`)
890     //    will be an empty range.  Returning an empty range is always safe.
891     //
892
893     Smallest = SE.getAddExpr(End, SE.getSCEV(One));
894     Greatest = SE.getAddExpr(Start, SE.getSCEV(One));
895   }
896
897   auto Clamp = [this, Smallest, Greatest](const SCEV *S) {
898     return SE.getSMaxExpr(Smallest, SE.getSMinExpr(Greatest, S));
899   };
900
901   // In some cases we can prove that we don't need a pre or post loop
902
903   bool ProvablyNoPreloop =
904       SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, Range.getBegin(), Smallest);
905   if (!ProvablyNoPreloop)
906     Result.LowLimit = Clamp(Range.getBegin());
907
908   bool ProvablyNoPostLoop =
909       SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, Greatest, Range.getEnd());
910   if (!ProvablyNoPostLoop)
911     Result.HighLimit = Clamp(Range.getEnd());
912
913   return Result;
914 }
915
916 void LoopConstrainer::cloneLoop(LoopConstrainer::ClonedLoop &Result,
917                                 const char *Tag) const {
918   for (BasicBlock *BB : OriginalLoop.getBlocks()) {
919     BasicBlock *Clone = CloneBasicBlock(BB, Result.Map, Twine(".") + Tag, &F);
920     Result.Blocks.push_back(Clone);
921     Result.Map[BB] = Clone;
922   }
923
924   auto GetClonedValue = [&Result](Value *V) {
925     assert(V && "null values not in domain!");
926     auto It = Result.Map.find(V);
927     if (It == Result.Map.end())
928       return V;
929     return static_cast<Value *>(It->second);
930   };
931
932   Result.Structure = MainLoopStructure.map(GetClonedValue);
933   Result.Structure.Tag = Tag;
934
935   for (unsigned i = 0, e = Result.Blocks.size(); i != e; ++i) {
936     BasicBlock *ClonedBB = Result.Blocks[i];
937     BasicBlock *OriginalBB = OriginalLoop.getBlocks()[i];
938
939     assert(Result.Map[OriginalBB] == ClonedBB && "invariant!");
940
941     for (Instruction &I : *ClonedBB)
942       RemapInstruction(&I, Result.Map,
943                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingEntries);
944
945     // Exit blocks will now have one more predecessor and their PHI nodes need
946     // to be edited to reflect that.  No phi nodes need to be introduced because
947     // the loop is in LCSSA.
948
949     for (auto SBBI = succ_begin(OriginalBB), SBBE = succ_end(OriginalBB);
950          SBBI != SBBE; ++SBBI) {
951
952       if (OriginalLoop.contains(*SBBI))
953         continue; // not an exit block
954
955       for (Instruction &I : **SBBI) {
956         if (!isa<PHINode>(&I))
957           break;
958
959         PHINode *PN = cast<PHINode>(&I);
960         Value *OldIncoming = PN->getIncomingValueForBlock(OriginalBB);
961         PN->addIncoming(GetClonedValue(OldIncoming), ClonedBB);
962       }
963     }
964   }
965 }
966
967 LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo LoopConstrainer::changeIterationSpaceEnd(
968     const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader, Value *ExitSubloopAt,
969     BasicBlock *ContinuationBlock) const {
970
971   // We start with a loop with a single latch:
972   //
973   //    +--------------------+
974   //    |                    |
975   //    |     preheader      |
976   //    |                    |
977   //    +--------+-----------+
978   //             |      ----------------\
979   //             |     /                |
980   //    +--------v----v------+          |
981   //    |                    |          |
982   //    |      header        |          |
983   //    |                    |          |
984   //    +--------------------+          |
985   //                                    |
986   //            .....                   |
987   //                                    |
988   //    +--------------------+          |
989   //    |                    |          |
990   //    |       latch        >----------/
991   //    |                    |
992   //    +-------v------------+
993   //            |
994   //            |
995   //            |   +--------------------+
996   //            |   |                    |
997   //            +--->   original exit    |
998   //                |                    |
999   //                +--------------------+
1000   //
1001   // We change the control flow to look like
1002   //
1003   //
1004   //    +--------------------+
1005   //    |                    |
1006   //    |     preheader      >-------------------------+
1007   //    |                    |                         |
1008   //    +--------v-----------+                         |
1009   //             |    /-------------+                  |
1010   //             |   /              |                  |
1011   //    +--------v--v--------+      |                  |
1012   //    |                    |      |                  |
1013   //    |      header        |      |   +--------+     |
1014   //    |                    |      |   |        |     |
1015   //    +--------------------+      |   |  +-----v-----v-----------+
1016   //                                |   |  |                       |
1017   //                                |   |  |     .pseudo.exit      |
1018   //                                |   |  |                       |
1019   //                                |   |  +-----------v-----------+
1020   //                                |   |              |
1021   //            .....               |   |              |
1022   //                                |   |     +--------v-------------+
1023   //    +--------------------+      |   |     |                      |
1024   //    |                    |      |   |     |   ContinuationBlock  |
1025   //    |       latch        >------+   |     |                      |
1026   //    |                    |          |     +----------------------+
1027   //    +---------v----------+          |
1028   //              |                     |
1029   //              |                     |
1030   //              |     +---------------^-----+
1031   //              |     |                     |
1032   //              +----->    .exit.selector   |
1033   //                    |                     |
1034   //                    +----------v----------+
1035   //                               |
1036   //     +--------------------+    |
1037   //     |                    |    |
1038   //     |   original exit    <----+
1039   //     |                    |
1040   //     +--------------------+
1041   //
1042
1043   RewrittenRangeInfo RRI;
1044
1045   auto BBInsertLocation = std::next(Function::iterator(LS.Latch));
1046   RRI.ExitSelector = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".exit.selector",
1047                                         &F, BBInsertLocation);
1048   RRI.PseudoExit = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".pseudo.exit", &F,
1049                                       BBInsertLocation);
1050
1051   BranchInst *PreheaderJump = cast<BranchInst>(&*Preheader->rbegin());
1052   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1053
1054   IRBuilder<> B(PreheaderJump);
1055
1056   // EnterLoopCond - is it okay to start executing this `LS'?
1057   Value *EnterLoopCond = Increasing
1058                              ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt)
1059                              : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1060
1061   B.CreateCondBr(EnterLoopCond, LS.Header, RRI.PseudoExit);
1062   PreheaderJump->eraseFromParent();
1063
1064   LS.LatchBr->setSuccessor(LS.LatchBrExitIdx, RRI.ExitSelector);
1065   B.SetInsertPoint(LS.LatchBr);
1066   Value *TakeBackedgeLoopCond =
1067       Increasing ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarNext, ExitSubloopAt)
1068                  : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarNext, ExitSubloopAt);
1069   Value *CondForBranch = LS.LatchBrExitIdx == 1
1070                              ? TakeBackedgeLoopCond
1071                              : B.CreateNot(TakeBackedgeLoopCond);
1072
1073   LS.LatchBr->setCondition(CondForBranch);
1074
1075   B.SetInsertPoint(RRI.ExitSelector);
1076
1077   // IterationsLeft - are there any more iterations left, given the original
1078   // upper bound on the induction variable?  If not, we branch to the "real"
1079   // exit.
1080   Value *IterationsLeft = Increasing
1081                               ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarNext, LS.LoopExitAt)
1082                               : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarNext, LS.LoopExitAt);
1083   B.CreateCondBr(IterationsLeft, RRI.PseudoExit, LS.LatchExit);
1084
1085   BranchInst *BranchToContinuation =
1086       BranchInst::Create(ContinuationBlock, RRI.PseudoExit);
1087
1088   // We emit PHI nodes into `RRI.PseudoExit' that compute the "latest" value of
1089   // each of the PHI nodes in the loop header.  This feeds into the initial
1090   // value of the same PHI nodes if/when we continue execution.
1091   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1092     if (!isa<PHINode>(&I))
1093       break;
1094
1095     PHINode *PN = cast<PHINode>(&I);
1096
1097     PHINode *NewPHI = PHINode::Create(PN->getType(), 2, PN->getName() + ".copy",
1098                                       BranchToContinuation);
1099
1100     NewPHI->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader), Preheader);
1101     NewPHI->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(LS.Latch),
1102                         RRI.ExitSelector);
1103     RRI.PHIValuesAtPseudoExit.push_back(NewPHI);
1104   }
1105
1106   RRI.IndVarEnd = PHINode::Create(LS.IndVarNext->getType(), 2, "indvar.end",
1107                                   BranchToContinuation);
1108   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarStart, Preheader);
1109   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarNext, RRI.ExitSelector);
1110
1111   // The latch exit now has a branch from `RRI.ExitSelector' instead of
1112   // `LS.Latch'.  The PHI nodes need to be updated to reflect that.
1113   for (Instruction &I : *LS.LatchExit) {
1114     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&I))
1115       replacePHIBlock(PN, LS.Latch, RRI.ExitSelector);
1116     else
1117       break;
1118   }
1119
1120   return RRI;
1121 }
1122
1123 void LoopConstrainer::rewriteIncomingValuesForPHIs(
1124     LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlock,
1125     const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const {
1126
1127   unsigned PHIIndex = 0;
1128   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1129     if (!isa<PHINode>(&I))
1130       break;
1131
1132     PHINode *PN = cast<PHINode>(&I);
1133
1134     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1135       if (PN->getIncomingBlock(i) == ContinuationBlock)
1136         PN->setIncomingValue(i, RRI.PHIValuesAtPseudoExit[PHIIndex++]);
1137   }
1138
1139   LS.IndVarStart = RRI.IndVarEnd;
1140 }
1141
1142 BasicBlock *LoopConstrainer::createPreheader(const LoopStructure &LS,
1143                                              BasicBlock *OldPreheader,
1144                                              const char *Tag) const {
1145
1146   BasicBlock *Preheader = BasicBlock::Create(Ctx, Tag, &F, LS.Header);
1147   BranchInst::Create(LS.Header, Preheader);
1148
1149   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1150     if (!isa<PHINode>(&I))
1151       break;
1152
1153     PHINode *PN = cast<PHINode>(&I);
1154     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1155       replacePHIBlock(PN, OldPreheader, Preheader);
1156   }
1157
1158   return Preheader;
1159 }
1160
1161 void LoopConstrainer::addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs) {
1162   Loop *ParentLoop = OriginalLoop.getParentLoop();
1163   if (!ParentLoop)
1164     return;
1165
1166   for (BasicBlock *BB : BBs)
1167     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(BB, OriginalLoopInfo);
1168 }
1169
1170 bool LoopConstrainer::run() {
1171   BasicBlock *Preheader = nullptr;
1172   LatchTakenCount = SE.getExitCount(&OriginalLoop, MainLoopStructure.Latch);
1173   Preheader = OriginalLoop.getLoopPreheader();
1174   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchTakenCount) && Preheader != nullptr &&
1175          "preconditions!");
1176
1177   OriginalPreheader = Preheader;
1178   MainLoopPreheader = Preheader;
1179
1180   Optional<SubRanges> MaybeSR = calculateSubRanges();
1181   if (!MaybeSR.hasValue()) {
1182     DEBUG(dbgs() << "irce: could not compute subranges\n");
1183     return false;
1184   }
1185
1186   SubRanges SR = MaybeSR.getValue();
1187   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1188   IntegerType *IVTy =
1189       cast<IntegerType>(MainLoopStructure.IndVarNext->getType());
1190
1191   SCEVExpander Expander(SE, F.getParent()->getDataLayout(), "irce");
1192   Instruction *InsertPt = OriginalPreheader->getTerminator();
1193
1194   // It would have been better to make `PreLoop' and `PostLoop'
1195   // `Optional<ClonedLoop>'s, but `ValueToValueMapTy' does not have a copy
1196   // constructor.
1197   ClonedLoop PreLoop, PostLoop;
1198   bool NeedsPreLoop =
1199       Increasing ? SR.LowLimit.hasValue() : SR.HighLimit.hasValue();
1200   bool NeedsPostLoop =
1201       Increasing ? SR.HighLimit.hasValue() : SR.LowLimit.hasValue();
1202
1203   Value *ExitPreLoopAt = nullptr;
1204   Value *ExitMainLoopAt = nullptr;
1205   const SCEVConstant *MinusOneS =
1206       cast<SCEVConstant>(SE.getConstant(IVTy, -1, true /* isSigned */));
1207
1208   if (NeedsPreLoop) {
1209     const SCEV *ExitPreLoopAtSCEV = nullptr;
1210
1211     if (Increasing)
1212       ExitPreLoopAtSCEV = *SR.LowLimit;
1213     else {
1214       if (CanBeSMin(SE, *SR.HighLimit)) {
1215         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1216                      << "preloop exit limit.  HighLimit = " << *(*SR.HighLimit)
1217                      << "\n");
1218         return false;
1219       }
1220       ExitPreLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.HighLimit, MinusOneS);
1221     }
1222
1223     ExitPreLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitPreLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1224     ExitPreLoopAt->setName("exit.preloop.at");
1225   }
1226
1227   if (NeedsPostLoop) {
1228     const SCEV *ExitMainLoopAtSCEV = nullptr;
1229
1230     if (Increasing)
1231       ExitMainLoopAtSCEV = *SR.HighLimit;
1232     else {
1233       if (CanBeSMin(SE, *SR.LowLimit)) {
1234         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1235                      << "mainloop exit limit.  LowLimit = " << *(*SR.LowLimit)
1236                      << "\n");
1237         return false;
1238       }
1239       ExitMainLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.LowLimit, MinusOneS);
1240     }
1241
1242     ExitMainLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitMainLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1243     ExitMainLoopAt->setName("exit.mainloop.at");
1244   }
1245
1246   // We clone these ahead of time so that we don't have to deal with changing
1247   // and temporarily invalid IR as we transform the loops.
1248   if (NeedsPreLoop)
1249     cloneLoop(PreLoop, "preloop");
1250   if (NeedsPostLoop)
1251     cloneLoop(PostLoop, "postloop");
1252
1253   RewrittenRangeInfo PreLoopRRI;
1254
1255   if (NeedsPreLoop) {
1256     Preheader->getTerminator()->replaceUsesOfWith(MainLoopStructure.Header,
1257                                                   PreLoop.Structure.Header);
1258
1259     MainLoopPreheader =
1260         createPreheader(MainLoopStructure, Preheader, "mainloop");
1261     PreLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(PreLoop.Structure, Preheader,
1262                                          ExitPreLoopAt, MainLoopPreheader);
1263     rewriteIncomingValuesForPHIs(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1264                                  PreLoopRRI);
1265   }
1266
1267   BasicBlock *PostLoopPreheader = nullptr;
1268   RewrittenRangeInfo PostLoopRRI;
1269
1270   if (NeedsPostLoop) {
1271     PostLoopPreheader =
1272         createPreheader(PostLoop.Structure, Preheader, "postloop");
1273     PostLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1274                                           ExitMainLoopAt, PostLoopPreheader);
1275     rewriteIncomingValuesForPHIs(PostLoop.Structure, PostLoopPreheader,
1276                                  PostLoopRRI);
1277   }
1278
1279   BasicBlock *NewMainLoopPreheader =
1280       MainLoopPreheader != Preheader ? MainLoopPreheader : nullptr;
1281   BasicBlock *NewBlocks[] = {PostLoopPreheader,        PreLoopRRI.PseudoExit,
1282                              PreLoopRRI.ExitSelector,  PostLoopRRI.PseudoExit,
1283                              PostLoopRRI.ExitSelector, NewMainLoopPreheader};
1284
1285   // Some of the above may be nullptr, filter them out before passing to
1286   // addToParentLoopIfNeeded.
1287   auto NewBlocksEnd =
1288       std::remove(std::begin(NewBlocks), std::end(NewBlocks), nullptr);
1289
1290   addToParentLoopIfNeeded(makeArrayRef(std::begin(NewBlocks), NewBlocksEnd));
1291   addToParentLoopIfNeeded(PreLoop.Blocks);
1292   addToParentLoopIfNeeded(PostLoop.Blocks);
1293
1294   return true;
1295 }
1296
1297 /// Computes and returns a range of values for the induction variable (IndVar)
1298 /// in which the range check can be safely elided.  If it cannot compute such a
1299 /// range, returns None.
1300 Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1301 InductiveRangeCheck::computeSafeIterationSpace(ScalarEvolution &SE,
1302                                                const SCEVAddRecExpr *IndVar,
1303                                                IRBuilder<> &) const {
1304   // IndVar is of the form "A + B * I" (where "I" is the canonical induction
1305   // variable, that may or may not exist as a real llvm::Value in the loop) and
1306   // this inductive range check is a range check on the "C + D * I" ("C" is
1307   // getOffset() and "D" is getScale()).  We rewrite the value being range
1308   // checked to "M + N * IndVar" where "N" = "D * B^(-1)" and "M" = "C - NA".
1309   // Currently we support this only for "B" = "D" = { 1 or -1 }, but the code
1310   // can be generalized as needed.
1311   //
1312   // The actual inequalities we solve are of the form
1313   //
1314   //   0 <= M + 1 * IndVar < L given L >= 0  (i.e. N == 1)
1315   //
1316   // The inequality is satisfied by -M <= IndVar < (L - M) [^1].  All additions
1317   // and subtractions are twos-complement wrapping and comparisons are signed.
1318   //
1319   // Proof:
1320   //
1321   //   If there exists IndVar such that -M <= IndVar < (L - M) then it follows
1322   //   that -M <= (-M + L) [== Eq. 1].  Since L >= 0, if (-M + L) sign-overflows
1323   //   then (-M + L) < (-M).  Hence by [Eq. 1], (-M + L) could not have
1324   //   overflown.
1325   //
1326   //   This means IndVar = t + (-M) for t in [0, L).  Hence (IndVar + M) = t.
1327   //   Hence 0 <= (IndVar + M) < L
1328
1329   // [^1]: Note that the solution does _not_ apply if L < 0; consider values M =
1330   // 127, IndVar = 126 and L = -2 in an i8 world.
1331
1332   if (!IndVar->isAffine())
1333     return None;
1334
1335   const SCEV *A = IndVar->getStart();
1336   const SCEVConstant *B = dyn_cast<SCEVConstant>(IndVar->getStepRecurrence(SE));
1337   if (!B)
1338     return None;
1339
1340   const SCEV *C = getOffset();
1341   const SCEVConstant *D = dyn_cast<SCEVConstant>(getScale());
1342   if (D != B)
1343     return None;
1344
1345   ConstantInt *ConstD = D->getValue();
1346   if (!(ConstD->isMinusOne() || ConstD->isOne()))
1347     return None;
1348
1349   const SCEV *M = SE.getMinusSCEV(C, A);
1350
1351   const SCEV *Begin = SE.getNegativeSCEV(M);
1352   const SCEV *UpperLimit = nullptr;
1353
1354   // We strengthen "0 <= I" to "0 <= I < INT_SMAX" and "I < L" to "0 <= I < L".
1355   // We can potentially do much better here.
1356   if (Value *V = getLength()) {
1357     UpperLimit = SE.getSCEV(V);
1358   } else {
1359     assert(Kind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER && "invariant!");
1360     unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndVar->getType())->getBitWidth();
1361     UpperLimit = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
1362   }
1363
1364   const SCEV *End = SE.getMinusSCEV(UpperLimit, M);
1365   return InductiveRangeCheck::Range(Begin, End);
1366 }
1367
1368 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1369 IntersectRange(ScalarEvolution &SE,
1370                const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1371                const InductiveRangeCheck::Range &R2, IRBuilder<> &B) {
1372   if (!R1.hasValue())
1373     return R2;
1374   auto &R1Value = R1.getValue();
1375
1376   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1377   // bail out to keep things simple.
1378   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1379     return None;
1380
1381   const SCEV *NewBegin = SE.getSMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1382   const SCEV *NewEnd = SE.getSMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1383
1384   return InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1385 }
1386
1387 bool InductiveRangeCheckElimination::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1388   if (L->getBlocks().size() >= LoopSizeCutoff) {
1389     DEBUG(dbgs() << "irce: giving up constraining loop, too large\n";);
1390     return false;
1391   }
1392
1393   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1394   if (!Preheader) {
1395     DEBUG(dbgs() << "irce: loop has no preheader, leaving\n");
1396     return false;
1397   }
1398
1399   LLVMContext &Context = Preheader->getContext();
1400   InductiveRangeCheck::AllocatorTy IRCAlloc;
1401   SmallVector<InductiveRangeCheck *, 16> RangeChecks;
1402   ScalarEvolution &SE = getAnalysis<ScalarEvolution>();
1403   BranchProbabilityInfo &BPI =
1404       getAnalysis<BranchProbabilityInfoWrapperPass>().getBPI();
1405
1406   for (auto BBI : L->getBlocks())
1407     if (BranchInst *TBI = dyn_cast<BranchInst>(BBI->getTerminator()))
1408       if (InductiveRangeCheck *IRC =
1409           InductiveRangeCheck::create(IRCAlloc, TBI, L, SE, BPI))
1410         RangeChecks.push_back(IRC);
1411
1412   if (RangeChecks.empty())
1413     return false;
1414
1415   auto PrintRecognizedRangeChecks = [&](raw_ostream &OS) {
1416     OS << "irce: looking at loop "; L->print(OS);
1417     OS << "irce: loop has " << RangeChecks.size()
1418        << " inductive range checks: \n";
1419     for (InductiveRangeCheck *IRC : RangeChecks)
1420       IRC->print(OS);
1421   };
1422
1423   DEBUG(PrintRecognizedRangeChecks(dbgs()));
1424
1425   if (PrintRangeChecks)
1426     PrintRecognizedRangeChecks(errs());
1427
1428   const char *FailureReason = nullptr;
1429   Optional<LoopStructure> MaybeLoopStructure =
1430       LoopStructure::parseLoopStructure(SE, BPI, *L, FailureReason);
1431   if (!MaybeLoopStructure.hasValue()) {
1432     DEBUG(dbgs() << "irce: could not parse loop structure: " << FailureReason
1433                  << "\n";);
1434     return false;
1435   }
1436   LoopStructure LS = MaybeLoopStructure.getValue();
1437   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1438   const SCEV *MinusOne =
1439       SE.getConstant(LS.IndVarNext->getType(), Increasing ? -1 : 1, true);
1440   const SCEVAddRecExpr *IndVar =
1441       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getAddExpr(SE.getSCEV(LS.IndVarNext), MinusOne));
1442
1443   Optional<InductiveRangeCheck::Range> SafeIterRange;
1444   Instruction *ExprInsertPt = Preheader->getTerminator();
1445
1446   SmallVector<InductiveRangeCheck *, 4> RangeChecksToEliminate;
1447
1448   IRBuilder<> B(ExprInsertPt);
1449   for (InductiveRangeCheck *IRC : RangeChecks) {
1450     auto Result = IRC->computeSafeIterationSpace(SE, IndVar, B);
1451     if (Result.hasValue()) {
1452       auto MaybeSafeIterRange =
1453         IntersectRange(SE, SafeIterRange, Result.getValue(), B);
1454       if (MaybeSafeIterRange.hasValue()) {
1455         RangeChecksToEliminate.push_back(IRC);
1456         SafeIterRange = MaybeSafeIterRange.getValue();
1457       }
1458     }
1459   }
1460
1461   if (!SafeIterRange.hasValue())
1462     return false;
1463
1464   LoopConstrainer LC(*L, getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo(), LS,
1465                      SE, SafeIterRange.getValue());
1466   bool Changed = LC.run();
1467
1468   if (Changed) {
1469     auto PrintConstrainedLoopInfo = [L]() {
1470       dbgs() << "irce: in function ";
1471       dbgs() << L->getHeader()->getParent()->getName() << ": ";
1472       dbgs() << "constrained ";
1473       L->print(dbgs());
1474     };
1475
1476     DEBUG(PrintConstrainedLoopInfo());
1477
1478     if (PrintChangedLoops)
1479       PrintConstrainedLoopInfo();
1480
1481     // Optimize away the now-redundant range checks.
1482
1483     for (InductiveRangeCheck *IRC : RangeChecksToEliminate) {
1484       ConstantInt *FoldedRangeCheck = IRC->getPassingDirection()
1485                                           ? ConstantInt::getTrue(Context)
1486                                           : ConstantInt::getFalse(Context);
1487       IRC->getBranch()->setCondition(FoldedRangeCheck);
1488     }
1489   }
1490
1491   return Changed;
1492 }
1493
1494 Pass *llvm::createInductiveRangeCheckEliminationPass() {
1495   return new InductiveRangeCheckElimination;
1496 }