[PM] Port ScalarEvolution to the new pass manager.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopIdiomRecognize.cpp
1 //===-- LoopIdiomRecognize.cpp - Loop idiom recognition -------------------===//
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 pass implements an idiom recognizer that transforms simple loops into a
11 // non-loop form.  In cases that this kicks in, it can be a significant
12 // performance win.
13 //
14 //===----------------------------------------------------------------------===//
15 //
16 // TODO List:
17 //
18 // Future loop memory idioms to recognize:
19 //   memcmp, memmove, strlen, etc.
20 // Future floating point idioms to recognize in -ffast-math mode:
21 //   fpowi
22 // Future integer operation idioms to recognize:
23 //   ctpop, ctlz, cttz
24 //
25 // Beware that isel's default lowering for ctpop is highly inefficient for
26 // i64 and larger types when i64 is legal and the value has few bits set.  It
27 // would be good to enhance isel to emit a loop for ctpop in this case.
28 //
29 // We should enhance the memset/memcpy recognition to handle multiple stores in
30 // the loop.  This would handle things like:
31 //   void foo(_Complex float *P)
32 //     for (i) { __real__(*P) = 0;  __imag__(*P) = 0; }
33 //
34 // We should enhance this to handle negative strides through memory.
35 // Alternatively (and perhaps better) we could rely on an earlier pass to force
36 // forward iteration through memory, which is generally better for cache
37 // behavior.  Negative strides *do* happen for memset/memcpy loops.
38 //
39 // This could recognize common matrix multiplies and dot product idioms and
40 // replace them with calls to BLAS (if linked in??).
41 //
42 //===----------------------------------------------------------------------===//
43
44 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
47 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
48 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
49 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
50 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
51 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
52 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
53 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
54 #include "llvm/IR/Dominators.h"
55 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
56 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
57 #include "llvm/IR/Module.h"
58 #include "llvm/Support/Debug.h"
59 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
61 using namespace llvm;
62
63 #define DEBUG_TYPE "loop-idiom"
64
65 STATISTIC(NumMemSet, "Number of memset's formed from loop stores");
66 STATISTIC(NumMemCpy, "Number of memcpy's formed from loop load+stores");
67
68 namespace {
69
70 class LoopIdiomRecognize : public LoopPass {
71   Loop *CurLoop;
72   AliasAnalysis *AA;
73   DominatorTree *DT;
74   LoopInfo *LI;
75   ScalarEvolution *SE;
76   TargetLibraryInfo *TLI;
77   const TargetTransformInfo *TTI;
78
79 public:
80   static char ID;
81   explicit LoopIdiomRecognize() : LoopPass(ID) {
82     initializeLoopIdiomRecognizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
83   }
84
85   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
86
87   /// This transformation requires natural loop information & requires that
88   /// loop preheaders be inserted into the CFG.
89   ///
90   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
91     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
92     AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
93     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
94     AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
95     AU.addRequiredID(LCSSAID);
96     AU.addPreservedID(LCSSAID);
97     AU.addRequired<AliasAnalysis>();
98     AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
99     AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
100     AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
101     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
102     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
103     AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
104     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
105   }
106
107 private:
108   /// \name Countable Loop Idiom Handling
109   /// @{
110
111   bool runOnCountableLoop();
112   bool runOnLoopBlock(BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
113                       SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks);
114
115   bool processLoopStore(StoreInst *SI, const SCEV *BECount);
116   bool processLoopMemSet(MemSetInst *MSI, const SCEV *BECount);
117
118   bool processLoopStridedStore(Value *DestPtr, unsigned StoreSize,
119                                unsigned StoreAlignment, Value *SplatValue,
120                                Instruction *TheStore, const SCEVAddRecExpr *Ev,
121                                const SCEV *BECount);
122   bool processLoopStoreOfLoopLoad(StoreInst *SI, unsigned StoreSize,
123                                   const SCEVAddRecExpr *StoreEv,
124                                   const SCEVAddRecExpr *LoadEv,
125                                   const SCEV *BECount);
126
127   /// @}
128   /// \name Noncountable Loop Idiom Handling
129   /// @{
130
131   bool runOnNoncountableLoop();
132
133   bool recognizePopcount();
134   void transformLoopToPopcount(BasicBlock *PreCondBB, Instruction *CntInst,
135                                PHINode *CntPhi, Value *Var);
136
137   /// @}
138 };
139
140 } // End anonymous namespace.
141
142 char LoopIdiomRecognize::ID = 0;
143 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopIdiomRecognize, "loop-idiom", "Recognize loop idioms",
144                       false, false)
145 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
146 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
147 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
148 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
149 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
150 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
151 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
152 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
153 INITIALIZE_PASS_END(LoopIdiomRecognize, "loop-idiom", "Recognize loop idioms",
154                     false, false)
155
156 Pass *llvm::createLoopIdiomPass() { return new LoopIdiomRecognize(); }
157
158 /// deleteDeadInstruction - Delete this instruction.  Before we do, go through
159 /// and zero out all the operands of this instruction.  If any of them become
160 /// dead, delete them and the computation tree that feeds them.
161 ///
162 static void deleteDeadInstruction(Instruction *I,
163                                   const TargetLibraryInfo *TLI) {
164   SmallVector<Value *, 16> Operands(I->value_op_begin(), I->value_op_end());
165   I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
166   I->eraseFromParent();
167   for (Value *Op : Operands)
168     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Op, TLI);
169 }
170
171 //===----------------------------------------------------------------------===//
172 //
173 //          Implementation of LoopIdiomRecognize
174 //
175 //===----------------------------------------------------------------------===//
176
177 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
178   if (skipOptnoneFunction(L))
179     return false;
180
181   CurLoop = L;
182   // If the loop could not be converted to canonical form, it must have an
183   // indirectbr in it, just give up.
184   if (!L->getLoopPreheader())
185     return false;
186
187   // Disable loop idiom recognition if the function's name is a common idiom.
188   StringRef Name = L->getHeader()->getParent()->getName();
189   if (Name == "memset" || Name == "memcpy")
190     return false;
191
192   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
193   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
194   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
195   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
196   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
197   TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
198       *CurLoop->getHeader()->getParent());
199
200   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L))
201     return runOnCountableLoop();
202
203   return runOnNoncountableLoop();
204 }
205
206 bool LoopIdiomRecognize::runOnCountableLoop() {
207   const SCEV *BECount = SE->getBackedgeTakenCount(CurLoop);
208   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(BECount) &&
209          "runOnCountableLoop() called on a loop without a predictable"
210          "backedge-taken count");
211
212   // If this loop executes exactly one time, then it should be peeled, not
213   // optimized by this pass.
214   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
215     if (BECst->getValue()->getValue() == 0)
216       return false;
217
218   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
219   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
220
221   DEBUG(dbgs() << "loop-idiom Scanning: F["
222                << CurLoop->getHeader()->getParent()->getName() << "] Loop %"
223                << CurLoop->getHeader()->getName() << "\n");
224
225   bool MadeChange = false;
226   // Scan all the blocks in the loop that are not in subloops.
227   for (auto *BB : CurLoop->getBlocks()) {
228     // Ignore blocks in subloops.
229     if (LI->getLoopFor(BB) != CurLoop)
230       continue;
231
232     MadeChange |= runOnLoopBlock(BB, BECount, ExitBlocks);
233   }
234   return MadeChange;
235 }
236
237 /// runOnLoopBlock - Process the specified block, which lives in a counted loop
238 /// with the specified backedge count.  This block is known to be in the current
239 /// loop and not in any subloops.
240 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoopBlock(
241     BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
242     SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks) {
243   // We can only promote stores in this block if they are unconditionally
244   // executed in the loop.  For a block to be unconditionally executed, it has
245   // to dominate all the exit blocks of the loop.  Verify this now.
246   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
247     if (!DT->dominates(BB, ExitBlocks[i]))
248       return false;
249
250   bool MadeChange = false;
251   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;) {
252     Instruction *Inst = I++;
253     // Look for store instructions, which may be optimized to memset/memcpy.
254     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
255       WeakVH InstPtr(I);
256       if (!processLoopStore(SI, BECount))
257         continue;
258       MadeChange = true;
259
260       // If processing the store invalidated our iterator, start over from the
261       // top of the block.
262       if (!InstPtr)
263         I = BB->begin();
264       continue;
265     }
266
267     // Look for memset instructions, which may be optimized to a larger memset.
268     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(Inst)) {
269       WeakVH InstPtr(I);
270       if (!processLoopMemSet(MSI, BECount))
271         continue;
272       MadeChange = true;
273
274       // If processing the memset invalidated our iterator, start over from the
275       // top of the block.
276       if (!InstPtr)
277         I = BB->begin();
278       continue;
279     }
280   }
281
282   return MadeChange;
283 }
284
285 /// processLoopStore - See if this store can be promoted to a memset or memcpy.
286 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStore(StoreInst *SI, const SCEV *BECount) {
287   if (!SI->isSimple())
288     return false;
289
290   Value *StoredVal = SI->getValueOperand();
291   Value *StorePtr = SI->getPointerOperand();
292
293   // Reject stores that are so large that they overflow an unsigned.
294   auto &DL = CurLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
295   uint64_t SizeInBits = DL.getTypeSizeInBits(StoredVal->getType());
296   if ((SizeInBits & 7) || (SizeInBits >> 32) != 0)
297     return false;
298
299   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
300   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
301   // random store we can't handle.
302   const SCEVAddRecExpr *StoreEv =
303       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(StorePtr));
304   if (!StoreEv || StoreEv->getLoop() != CurLoop || !StoreEv->isAffine())
305     return false;
306
307   // Check to see if the stride matches the size of the store.  If so, then we
308   // know that every byte is touched in the loop.
309   unsigned StoreSize = (unsigned)SizeInBits >> 3;
310   const SCEVConstant *Stride = dyn_cast<SCEVConstant>(StoreEv->getOperand(1));
311
312   if (!Stride || StoreSize != Stride->getValue()->getValue()) {
313     // TODO: Could also handle negative stride here someday, that will require
314     // the validity check in mayLoopAccessLocation to be updated though.
315     // Enable this to print exact negative strides.
316     if (0 && Stride && StoreSize == -Stride->getValue()->getValue()) {
317       dbgs() << "NEGATIVE STRIDE: " << *SI << "\n";
318       dbgs() << "BB: " << *SI->getParent();
319     }
320
321     return false;
322   }
323
324   // See if we can optimize just this store in isolation.
325   if (processLoopStridedStore(StorePtr, StoreSize, SI->getAlignment(),
326                               StoredVal, SI, StoreEv, BECount))
327     return true;
328
329   // If the stored value is a strided load in the same loop with the same stride
330   // this this may be transformable into a memcpy.  This kicks in for stuff like
331   //   for (i) A[i] = B[i];
332   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(StoredVal)) {
333     const SCEVAddRecExpr *LoadEv =
334         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(LI->getOperand(0)));
335     if (LoadEv && LoadEv->getLoop() == CurLoop && LoadEv->isAffine() &&
336         StoreEv->getOperand(1) == LoadEv->getOperand(1) && LI->isSimple())
337       if (processLoopStoreOfLoopLoad(SI, StoreSize, StoreEv, LoadEv, BECount))
338         return true;
339   }
340   // errs() << "UNHANDLED strided store: " << *StoreEv << " - " << *SI << "\n";
341
342   return false;
343 }
344
345 /// processLoopMemSet - See if this memset can be promoted to a large memset.
346 bool LoopIdiomRecognize::processLoopMemSet(MemSetInst *MSI,
347                                            const SCEV *BECount) {
348   // We can only handle non-volatile memsets with a constant size.
349   if (MSI->isVolatile() || !isa<ConstantInt>(MSI->getLength()))
350     return false;
351
352   // If we're not allowed to hack on memset, we fail.
353   if (!TLI->has(LibFunc::memset))
354     return false;
355
356   Value *Pointer = MSI->getDest();
357
358   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
359   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
360   // random store we can't handle.
361   const SCEVAddRecExpr *Ev = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Pointer));
362   if (!Ev || Ev->getLoop() != CurLoop || !Ev->isAffine())
363     return false;
364
365   // Reject memsets that are so large that they overflow an unsigned.
366   uint64_t SizeInBytes = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getZExtValue();
367   if ((SizeInBytes >> 32) != 0)
368     return false;
369
370   // Check to see if the stride matches the size of the memset.  If so, then we
371   // know that every byte is touched in the loop.
372   const SCEVConstant *Stride = dyn_cast<SCEVConstant>(Ev->getOperand(1));
373
374   // TODO: Could also handle negative stride here someday, that will require the
375   // validity check in mayLoopAccessLocation to be updated though.
376   if (!Stride || MSI->getLength() != Stride->getValue())
377     return false;
378
379   return processLoopStridedStore(Pointer, (unsigned)SizeInBytes,
380                                  MSI->getAlignment(), MSI->getValue(), MSI, Ev,
381                                  BECount);
382 }
383
384 /// mayLoopAccessLocation - Return true if the specified loop might access the
385 /// specified pointer location, which is a loop-strided access.  The 'Access'
386 /// argument specifies what the verboten forms of access are (read or write).
387 static bool mayLoopAccessLocation(Value *Ptr, ModRefInfo Access, Loop *L,
388                                   const SCEV *BECount, unsigned StoreSize,
389                                   AliasAnalysis &AA,
390                                   Instruction *IgnoredStore) {
391   // Get the location that may be stored across the loop.  Since the access is
392   // strided positively through memory, we say that the modified location starts
393   // at the pointer and has infinite size.
394   uint64_t AccessSize = MemoryLocation::UnknownSize;
395
396   // If the loop iterates a fixed number of times, we can refine the access size
397   // to be exactly the size of the memset, which is (BECount+1)*StoreSize
398   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
399     AccessSize = (BECst->getValue()->getZExtValue() + 1) * StoreSize;
400
401   // TODO: For this to be really effective, we have to dive into the pointer
402   // operand in the store.  Store to &A[i] of 100 will always return may alias
403   // with store of &A[100], we need to StoreLoc to be "A" with size of 100,
404   // which will then no-alias a store to &A[100].
405   MemoryLocation StoreLoc(Ptr, AccessSize);
406
407   for (Loop::block_iterator BI = L->block_begin(), E = L->block_end(); BI != E;
408        ++BI)
409     for (BasicBlock::iterator I = (*BI)->begin(), E = (*BI)->end(); I != E; ++I)
410       if (&*I != IgnoredStore && (AA.getModRefInfo(I, StoreLoc) & Access))
411         return true;
412
413   return false;
414 }
415
416 /// getMemSetPatternValue - If a strided store of the specified value is safe to
417 /// turn into a memset_pattern16, return a ConstantArray of 16 bytes that should
418 /// be passed in.  Otherwise, return null.
419 ///
420 /// Note that we don't ever attempt to use memset_pattern8 or 4, because these
421 /// just replicate their input array and then pass on to memset_pattern16.
422 static Constant *getMemSetPatternValue(Value *V, const DataLayout &DL) {
423   // If the value isn't a constant, we can't promote it to being in a constant
424   // array.  We could theoretically do a store to an alloca or something, but
425   // that doesn't seem worthwhile.
426   Constant *C = dyn_cast<Constant>(V);
427   if (!C)
428     return nullptr;
429
430   // Only handle simple values that are a power of two bytes in size.
431   uint64_t Size = DL.getTypeSizeInBits(V->getType());
432   if (Size == 0 || (Size & 7) || (Size & (Size - 1)))
433     return nullptr;
434
435   // Don't care enough about darwin/ppc to implement this.
436   if (DL.isBigEndian())
437     return nullptr;
438
439   // Convert to size in bytes.
440   Size /= 8;
441
442   // TODO: If CI is larger than 16-bytes, we can try slicing it in half to see
443   // if the top and bottom are the same (e.g. for vectors and large integers).
444   if (Size > 16)
445     return nullptr;
446
447   // If the constant is exactly 16 bytes, just use it.
448   if (Size == 16)
449     return C;
450
451   // Otherwise, we'll use an array of the constants.
452   unsigned ArraySize = 16 / Size;
453   ArrayType *AT = ArrayType::get(V->getType(), ArraySize);
454   return ConstantArray::get(AT, std::vector<Constant *>(ArraySize, C));
455 }
456
457 /// processLoopStridedStore - We see a strided store of some value.  If we can
458 /// transform this into a memset or memset_pattern in the loop preheader, do so.
459 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStridedStore(
460     Value *DestPtr, unsigned StoreSize, unsigned StoreAlignment,
461     Value *StoredVal, Instruction *TheStore, const SCEVAddRecExpr *Ev,
462     const SCEV *BECount) {
463
464   // If the stored value is a byte-wise value (like i32 -1), then it may be
465   // turned into a memset of i8 -1, assuming that all the consecutive bytes
466   // are stored.  A store of i32 0x01020304 can never be turned into a memset,
467   // but it can be turned into memset_pattern if the target supports it.
468   Value *SplatValue = isBytewiseValue(StoredVal);
469   Constant *PatternValue = nullptr;
470   auto &DL = CurLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
471   unsigned DestAS = DestPtr->getType()->getPointerAddressSpace();
472
473   // If we're allowed to form a memset, and the stored value would be acceptable
474   // for memset, use it.
475   if (SplatValue && TLI->has(LibFunc::memset) &&
476       // Verify that the stored value is loop invariant.  If not, we can't
477       // promote the memset.
478       CurLoop->isLoopInvariant(SplatValue)) {
479     // Keep and use SplatValue.
480     PatternValue = nullptr;
481   } else if (DestAS == 0 && TLI->has(LibFunc::memset_pattern16) &&
482              (PatternValue = getMemSetPatternValue(StoredVal, DL))) {
483     // Don't create memset_pattern16s with address spaces.
484     // It looks like we can use PatternValue!
485     SplatValue = nullptr;
486   } else {
487     // Otherwise, this isn't an idiom we can transform.  For example, we can't
488     // do anything with a 3-byte store.
489     return false;
490   }
491
492   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
493   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
494   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
495   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
496   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
497   SCEVExpander Expander(*SE, DL, "loop-idiom");
498
499   Type *DestInt8PtrTy = Builder.getInt8PtrTy(DestAS);
500
501   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a splattable value.  We can turn
502   // this into a memset in the loop preheader now if we want.  However, this
503   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
504   // or write to the aliased location.  Check for any overlap by generating the
505   // base pointer and checking the region.
506   Value *BasePtr = Expander.expandCodeFor(Ev->getStart(), DestInt8PtrTy,
507                                           Preheader->getTerminator());
508
509   if (mayLoopAccessLocation(BasePtr, MRI_ModRef, CurLoop, BECount, StoreSize,
510                             *AA, TheStore)) {
511     Expander.clear();
512     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
513     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(BasePtr, TLI);
514     return false;
515   }
516
517   // Okay, everything looks good, insert the memset.
518
519   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
520   // pointer size if it isn't already.
521   Type *IntPtr = Builder.getIntPtrTy(DL, DestAS);
522   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtr);
523
524   const SCEV *NumBytesS =
525       SE->getAddExpr(BECount, SE->getConstant(IntPtr, 1), SCEV::FlagNUW);
526   if (StoreSize != 1) {
527     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtr, StoreSize),
528                                SCEV::FlagNUW);
529   }
530
531   Value *NumBytes =
532       Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtr, Preheader->getTerminator());
533
534   CallInst *NewCall;
535   if (SplatValue) {
536     NewCall =
537         Builder.CreateMemSet(BasePtr, SplatValue, NumBytes, StoreAlignment);
538   } else {
539     // Everything is emitted in default address space
540     Type *Int8PtrTy = DestInt8PtrTy;
541
542     Module *M = TheStore->getParent()->getParent()->getParent();
543     Value *MSP =
544         M->getOrInsertFunction("memset_pattern16", Builder.getVoidTy(),
545                                Int8PtrTy, Int8PtrTy, IntPtr, (void *)nullptr);
546
547     // Otherwise we should form a memset_pattern16.  PatternValue is known to be
548     // an constant array of 16-bytes.  Plop the value into a mergable global.
549     GlobalVariable *GV = new GlobalVariable(*M, PatternValue->getType(), true,
550                                             GlobalValue::PrivateLinkage,
551                                             PatternValue, ".memset_pattern");
552     GV->setUnnamedAddr(true); // Ok to merge these.
553     GV->setAlignment(16);
554     Value *PatternPtr = ConstantExpr::getBitCast(GV, Int8PtrTy);
555     NewCall = Builder.CreateCall(MSP, {BasePtr, PatternPtr, NumBytes});
556   }
557
558   DEBUG(dbgs() << "  Formed memset: " << *NewCall << "\n"
559                << "    from store to: " << *Ev << " at: " << *TheStore << "\n");
560   NewCall->setDebugLoc(TheStore->getDebugLoc());
561
562   // Okay, the memset has been formed.  Zap the original store and anything that
563   // feeds into it.
564   deleteDeadInstruction(TheStore, TLI);
565   ++NumMemSet;
566   return true;
567 }
568
569 /// processLoopStoreOfLoopLoad - We see a strided store whose value is a
570 /// same-strided load.
571 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStoreOfLoopLoad(
572     StoreInst *SI, unsigned StoreSize, const SCEVAddRecExpr *StoreEv,
573     const SCEVAddRecExpr *LoadEv, const SCEV *BECount) {
574   // If we're not allowed to form memcpy, we fail.
575   if (!TLI->has(LibFunc::memcpy))
576     return false;
577
578   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(SI->getValueOperand());
579
580   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
581   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
582   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
583   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
584   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
585   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
586   SCEVExpander Expander(*SE, DL, "loop-idiom");
587
588   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a loaded value.  We can turn
589   // this into a memcpy in the loop preheader now if we want.  However, this
590   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
591   // or write the memory region we're storing to.  This includes the load that
592   // feeds the stores.  Check for an alias by generating the base address and
593   // checking everything.
594   Value *StoreBasePtr = Expander.expandCodeFor(
595       StoreEv->getStart(), Builder.getInt8PtrTy(SI->getPointerAddressSpace()),
596       Preheader->getTerminator());
597
598   if (mayLoopAccessLocation(StoreBasePtr, MRI_ModRef, CurLoop, BECount,
599                             StoreSize, *AA, SI)) {
600     Expander.clear();
601     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
602     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
603     return false;
604   }
605
606   // For a memcpy, we have to make sure that the input array is not being
607   // mutated by the loop.
608   Value *LoadBasePtr = Expander.expandCodeFor(
609       LoadEv->getStart(), Builder.getInt8PtrTy(LI->getPointerAddressSpace()),
610       Preheader->getTerminator());
611
612   if (mayLoopAccessLocation(LoadBasePtr, MRI_Mod, CurLoop, BECount, StoreSize,
613                             *AA, SI)) {
614     Expander.clear();
615     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
616     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(LoadBasePtr, TLI);
617     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
618     return false;
619   }
620
621   // Okay, everything is safe, we can transform this!
622
623   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
624   // pointer size if it isn't already.
625   Type *IntPtrTy = Builder.getIntPtrTy(DL, SI->getPointerAddressSpace());
626   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtrTy);
627
628   const SCEV *NumBytesS =
629       SE->getAddExpr(BECount, SE->getConstant(IntPtrTy, 1), SCEV::FlagNUW);
630   if (StoreSize != 1)
631     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtrTy, StoreSize),
632                                SCEV::FlagNUW);
633
634   Value *NumBytes =
635       Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtrTy, Preheader->getTerminator());
636
637   CallInst *NewCall =
638       Builder.CreateMemCpy(StoreBasePtr, LoadBasePtr, NumBytes,
639                            std::min(SI->getAlignment(), LI->getAlignment()));
640   NewCall->setDebugLoc(SI->getDebugLoc());
641
642   DEBUG(dbgs() << "  Formed memcpy: " << *NewCall << "\n"
643                << "    from load ptr=" << *LoadEv << " at: " << *LI << "\n"
644                << "    from store ptr=" << *StoreEv << " at: " << *SI << "\n");
645
646   // Okay, the memset has been formed.  Zap the original store and anything that
647   // feeds into it.
648   deleteDeadInstruction(SI, TLI);
649   ++NumMemCpy;
650   return true;
651 }
652
653 bool LoopIdiomRecognize::runOnNoncountableLoop() {
654   if (recognizePopcount())
655     return true;
656
657   return false;
658 }
659
660 /// Check if the given conditional branch is based on the comparison between
661 /// a variable and zero, and if the variable is non-zero, the control yields to
662 /// the loop entry. If the branch matches the behavior, the variable involved
663 /// in the comparion is returned. This function will be called to see if the
664 /// precondition and postcondition of the loop are in desirable form.
665 static Value *matchCondition(BranchInst *BI, BasicBlock *LoopEntry) {
666   if (!BI || !BI->isConditional())
667     return nullptr;
668
669   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
670   if (!Cond)
671     return nullptr;
672
673   ConstantInt *CmpZero = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1));
674   if (!CmpZero || !CmpZero->isZero())
675     return nullptr;
676
677   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
678   if ((Pred == ICmpInst::ICMP_NE && BI->getSuccessor(0) == LoopEntry) ||
679       (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && BI->getSuccessor(1) == LoopEntry))
680     return Cond->getOperand(0);
681
682   return nullptr;
683 }
684
685 /// Return true iff the idiom is detected in the loop.
686 ///
687 /// Additionally:
688 /// 1) \p CntInst is set to the instruction counting the population bit.
689 /// 2) \p CntPhi is set to the corresponding phi node.
690 /// 3) \p Var is set to the value whose population bits are being counted.
691 ///
692 /// The core idiom we are trying to detect is:
693 /// \code
694 ///    if (x0 != 0)
695 ///      goto loop-exit // the precondition of the loop
696 ///    cnt0 = init-val;
697 ///    do {
698 ///       x1 = phi (x0, x2);
699 ///       cnt1 = phi(cnt0, cnt2);
700 ///
701 ///       cnt2 = cnt1 + 1;
702 ///        ...
703 ///       x2 = x1 & (x1 - 1);
704 ///        ...
705 ///    } while(x != 0);
706 ///
707 /// loop-exit:
708 /// \endcode
709 static bool detectPopcountIdiom(Loop *CurLoop, BasicBlock *PreCondBB,
710                                 Instruction *&CntInst, PHINode *&CntPhi,
711                                 Value *&Var) {
712   // step 1: Check to see if the look-back branch match this pattern:
713   //    "if (a!=0) goto loop-entry".
714   BasicBlock *LoopEntry;
715   Instruction *DefX2, *CountInst;
716   Value *VarX1, *VarX0;
717   PHINode *PhiX, *CountPhi;
718
719   DefX2 = CountInst = nullptr;
720   VarX1 = VarX0 = nullptr;
721   PhiX = CountPhi = nullptr;
722   LoopEntry = *(CurLoop->block_begin());
723
724   // step 1: Check if the loop-back branch is in desirable form.
725   {
726     if (Value *T = matchCondition(
727             dyn_cast<BranchInst>(LoopEntry->getTerminator()), LoopEntry))
728       DefX2 = dyn_cast<Instruction>(T);
729     else
730       return false;
731   }
732
733   // step 2: detect instructions corresponding to "x2 = x1 & (x1 - 1)"
734   {
735     if (!DefX2 || DefX2->getOpcode() != Instruction::And)
736       return false;
737
738     BinaryOperator *SubOneOp;
739
740     if ((SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(0))))
741       VarX1 = DefX2->getOperand(1);
742     else {
743       VarX1 = DefX2->getOperand(0);
744       SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(1));
745     }
746     if (!SubOneOp)
747       return false;
748
749     Instruction *SubInst = cast<Instruction>(SubOneOp);
750     ConstantInt *Dec = dyn_cast<ConstantInt>(SubInst->getOperand(1));
751     if (!Dec ||
752         !((SubInst->getOpcode() == Instruction::Sub && Dec->isOne()) ||
753           (SubInst->getOpcode() == Instruction::Add &&
754            Dec->isAllOnesValue()))) {
755       return false;
756     }
757   }
758
759   // step 3: Check the recurrence of variable X
760   {
761     PhiX = dyn_cast<PHINode>(VarX1);
762     if (!PhiX ||
763         (PhiX->getOperand(0) != DefX2 && PhiX->getOperand(1) != DefX2)) {
764       return false;
765     }
766   }
767
768   // step 4: Find the instruction which count the population: cnt2 = cnt1 + 1
769   {
770     CountInst = nullptr;
771     for (BasicBlock::iterator Iter = LoopEntry->getFirstNonPHI(),
772                               IterE = LoopEntry->end();
773          Iter != IterE; Iter++) {
774       Instruction *Inst = Iter;
775       if (Inst->getOpcode() != Instruction::Add)
776         continue;
777
778       ConstantInt *Inc = dyn_cast<ConstantInt>(Inst->getOperand(1));
779       if (!Inc || !Inc->isOne())
780         continue;
781
782       PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(Inst->getOperand(0));
783       if (!Phi || Phi->getParent() != LoopEntry)
784         continue;
785
786       // Check if the result of the instruction is live of the loop.
787       bool LiveOutLoop = false;
788       for (User *U : Inst->users()) {
789         if ((cast<Instruction>(U))->getParent() != LoopEntry) {
790           LiveOutLoop = true;
791           break;
792         }
793       }
794
795       if (LiveOutLoop) {
796         CountInst = Inst;
797         CountPhi = Phi;
798         break;
799       }
800     }
801
802     if (!CountInst)
803       return false;
804   }
805
806   // step 5: check if the precondition is in this form:
807   //   "if (x != 0) goto loop-head ; else goto somewhere-we-don't-care;"
808   {
809     auto *PreCondBr = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
810     Value *T = matchCondition(PreCondBr, CurLoop->getLoopPreheader());
811     if (T != PhiX->getOperand(0) && T != PhiX->getOperand(1))
812       return false;
813
814     CntInst = CountInst;
815     CntPhi = CountPhi;
816     Var = T;
817   }
818
819   return true;
820 }
821
822 /// Recognizes a population count idiom in a non-countable loop.
823 ///
824 /// If detected, transforms the relevant code to issue the popcount intrinsic
825 /// function call, and returns true; otherwise, returns false.
826 bool LoopIdiomRecognize::recognizePopcount() {
827   if (TTI->getPopcntSupport(32) != TargetTransformInfo::PSK_FastHardware)
828     return false;
829
830   // Counting population are usually conducted by few arithmetic instructions.
831   // Such instructions can be easilly "absorbed" by vacant slots in a
832   // non-compact loop. Therefore, recognizing popcount idiom only makes sense
833   // in a compact loop.
834
835   // Give up if the loop has multiple blocks or multiple backedges.
836   if (CurLoop->getNumBackEdges() != 1 || CurLoop->getNumBlocks() != 1)
837     return false;
838
839   BasicBlock *LoopBody = *(CurLoop->block_begin());
840   if (LoopBody->size() >= 20) {
841     // The loop is too big, bail out.
842     return false;
843   }
844
845   // It should have a preheader containing nothing but an unconditional branch.
846   BasicBlock *PH = CurLoop->getLoopPreheader();
847   if (!PH)
848     return false;
849   if (&PH->front() != PH->getTerminator())
850     return false;
851   auto *EntryBI = dyn_cast<BranchInst>(PH->getTerminator());
852   if (!EntryBI || EntryBI->isConditional())
853     return false;
854
855   // It should have a precondition block where the generated popcount instrinsic
856   // function can be inserted.
857   auto *PreCondBB = PH->getSinglePredecessor();
858   if (!PreCondBB)
859     return false;
860   auto *PreCondBI = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
861   if (!PreCondBI || PreCondBI->isUnconditional())
862     return false;
863
864   Instruction *CntInst;
865   PHINode *CntPhi;
866   Value *Val;
867   if (!detectPopcountIdiom(CurLoop, PreCondBB, CntInst, CntPhi, Val))
868     return false;
869
870   transformLoopToPopcount(PreCondBB, CntInst, CntPhi, Val);
871   return true;
872 }
873
874 static CallInst *createPopcntIntrinsic(IRBuilder<> &IRBuilder, Value *Val,
875                                        DebugLoc DL) {
876   Value *Ops[] = {Val};
877   Type *Tys[] = {Val->getType()};
878
879   Module *M = IRBuilder.GetInsertBlock()->getParent()->getParent();
880   Value *Func = Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::ctpop, Tys);
881   CallInst *CI = IRBuilder.CreateCall(Func, Ops);
882   CI->setDebugLoc(DL);
883
884   return CI;
885 }
886
887 void LoopIdiomRecognize::transformLoopToPopcount(BasicBlock *PreCondBB,
888                                                  Instruction *CntInst,
889                                                  PHINode *CntPhi, Value *Var) {
890   BasicBlock *PreHead = CurLoop->getLoopPreheader();
891   auto *PreCondBr = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
892   const DebugLoc DL = CntInst->getDebugLoc();
893
894   // Assuming before transformation, the loop is following:
895   //  if (x) // the precondition
896   //     do { cnt++; x &= x - 1; } while(x);
897
898   // Step 1: Insert the ctpop instruction at the end of the precondition block
899   IRBuilder<> Builder(PreCondBr);
900   Value *PopCnt, *PopCntZext, *NewCount, *TripCnt;
901   {
902     PopCnt = createPopcntIntrinsic(Builder, Var, DL);
903     NewCount = PopCntZext =
904         Builder.CreateZExtOrTrunc(PopCnt, cast<IntegerType>(CntPhi->getType()));
905
906     if (NewCount != PopCnt)
907       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
908
909     // TripCnt is exactly the number of iterations the loop has
910     TripCnt = NewCount;
911
912     // If the population counter's initial value is not zero, insert Add Inst.
913     Value *CntInitVal = CntPhi->getIncomingValueForBlock(PreHead);
914     ConstantInt *InitConst = dyn_cast<ConstantInt>(CntInitVal);
915     if (!InitConst || !InitConst->isZero()) {
916       NewCount = Builder.CreateAdd(NewCount, CntInitVal);
917       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
918     }
919   }
920
921   // Step 2: Replace the precondition from "if(x == 0) goto loop-exit" to
922   //   "if(NewCount == 0) loop-exit". Withtout this change, the intrinsic
923   //   function would be partial dead code, and downstream passes will drag
924   //   it back from the precondition block to the preheader.
925   {
926     ICmpInst *PreCond = cast<ICmpInst>(PreCondBr->getCondition());
927
928     Value *Opnd0 = PopCntZext;
929     Value *Opnd1 = ConstantInt::get(PopCntZext->getType(), 0);
930     if (PreCond->getOperand(0) != Var)
931       std::swap(Opnd0, Opnd1);
932
933     ICmpInst *NewPreCond = cast<ICmpInst>(
934         Builder.CreateICmp(PreCond->getPredicate(), Opnd0, Opnd1));
935     PreCondBr->setCondition(NewPreCond);
936
937     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PreCond, TLI);
938   }
939
940   // Step 3: Note that the population count is exactly the trip count of the
941   // loop in question, which enble us to to convert the loop from noncountable
942   // loop into a countable one. The benefit is twofold:
943   //
944   //  - If the loop only counts population, the entire loop become dead after
945   //    the transformation. It is lots easier to prove a countable loop dead
946   //    than to prove a noncountable one. (In some C dialects, a infite loop
947   //    isn't dead even if it computes nothing useful. In general, DCE needs
948   //    to prove a noncountable loop finite before safely delete it.)
949   //
950   //  - If the loop also performs something else, it remains alive.
951   //    Since it is transformed to countable form, it can be aggressively
952   //    optimized by some optimizations which are in general not applicable
953   //    to a noncountable loop.
954   //
955   // After this step, this loop (conceptually) would look like following:
956   //   newcnt = __builtin_ctpop(x);
957   //   t = newcnt;
958   //   if (x)
959   //     do { cnt++; x &= x-1; t--) } while (t > 0);
960   BasicBlock *Body = *(CurLoop->block_begin());
961   {
962     auto *LbBr = dyn_cast<BranchInst>(Body->getTerminator());
963     ICmpInst *LbCond = cast<ICmpInst>(LbBr->getCondition());
964     Type *Ty = TripCnt->getType();
965
966     PHINode *TcPhi = PHINode::Create(Ty, 2, "tcphi", Body->begin());
967
968     Builder.SetInsertPoint(LbCond);
969     Value *Opnd1 = cast<Value>(TcPhi);
970     Value *Opnd2 = cast<Value>(ConstantInt::get(Ty, 1));
971     Instruction *TcDec = cast<Instruction>(
972         Builder.CreateSub(Opnd1, Opnd2, "tcdec", false, true));
973
974     TcPhi->addIncoming(TripCnt, PreHead);
975     TcPhi->addIncoming(TcDec, Body);
976
977     CmpInst::Predicate Pred =
978         (LbBr->getSuccessor(0) == Body) ? CmpInst::ICMP_UGT : CmpInst::ICMP_SLE;
979     LbCond->setPredicate(Pred);
980     LbCond->setOperand(0, TcDec);
981     LbCond->setOperand(1, cast<Value>(ConstantInt::get(Ty, 0)));
982   }
983
984   // Step 4: All the references to the original population counter outside
985   //  the loop are replaced with the NewCount -- the value returned from
986   //  __builtin_ctpop().
987   CntInst->replaceUsesOutsideBlock(NewCount, Body);
988
989   // step 5: Forget the "non-computable" trip-count SCEV associated with the
990   //   loop. The loop would otherwise not be deleted even if it becomes empty.
991   SE->forgetLoop(CurLoop);
992 }