[PM/AA] Rebuild LLVM's alias analysis infrastructure in a way compatible
[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/BasicAliasAnalysis.h"
48 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
49 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
50 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
52 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
53 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
54 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
55 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
56 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
57 #include "llvm/IR/Dominators.h"
58 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
59 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
60 #include "llvm/IR/Module.h"
61 #include "llvm/Support/Debug.h"
62 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
63 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
64 using namespace llvm;
65
66 #define DEBUG_TYPE "loop-idiom"
67
68 STATISTIC(NumMemSet, "Number of memset's formed from loop stores");
69 STATISTIC(NumMemCpy, "Number of memcpy's formed from loop load+stores");
70
71 namespace {
72
73 class LoopIdiomRecognize : public LoopPass {
74   Loop *CurLoop;
75   AliasAnalysis *AA;
76   DominatorTree *DT;
77   LoopInfo *LI;
78   ScalarEvolution *SE;
79   TargetLibraryInfo *TLI;
80   const TargetTransformInfo *TTI;
81
82 public:
83   static char ID;
84   explicit LoopIdiomRecognize() : LoopPass(ID) {
85     initializeLoopIdiomRecognizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
86   }
87
88   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
89
90   /// This transformation requires natural loop information & requires that
91   /// loop preheaders be inserted into the CFG.
92   ///
93   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
94     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
95     AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
96     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
97     AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
98     AU.addRequiredID(LCSSAID);
99     AU.addPreservedID(LCSSAID);
100     AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
101     AU.addPreserved<AAResultsWrapperPass>();
102     AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
103     AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
104     AU.addPreserved<SCEVAAWrapperPass>();
105     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
106     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
107     AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
108     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
109     AU.addPreserved<BasicAAWrapperPass>();
110     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
111   }
112
113 private:
114   /// \name Countable Loop Idiom Handling
115   /// @{
116
117   bool runOnCountableLoop();
118   bool runOnLoopBlock(BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
119                       SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks);
120
121   bool processLoopStore(StoreInst *SI, const SCEV *BECount);
122   bool processLoopMemSet(MemSetInst *MSI, const SCEV *BECount);
123
124   bool processLoopStridedStore(Value *DestPtr, unsigned StoreSize,
125                                unsigned StoreAlignment, Value *SplatValue,
126                                Instruction *TheStore, const SCEVAddRecExpr *Ev,
127                                const SCEV *BECount);
128   bool processLoopStoreOfLoopLoad(StoreInst *SI, unsigned StoreSize,
129                                   const SCEVAddRecExpr *StoreEv,
130                                   const SCEVAddRecExpr *LoadEv,
131                                   const SCEV *BECount);
132
133   /// @}
134   /// \name Noncountable Loop Idiom Handling
135   /// @{
136
137   bool runOnNoncountableLoop();
138
139   bool recognizePopcount();
140   void transformLoopToPopcount(BasicBlock *PreCondBB, Instruction *CntInst,
141                                PHINode *CntPhi, Value *Var);
142
143   /// @}
144 };
145
146 } // End anonymous namespace.
147
148 char LoopIdiomRecognize::ID = 0;
149 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopIdiomRecognize, "loop-idiom", "Recognize loop idioms",
150                       false, false)
151 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
152 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
153 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
154 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
155 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
156 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
157 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BasicAAWrapperPass)
158 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AAResultsWrapperPass)
159 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(GlobalsAAWrapperPass)
160 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(SCEVAAWrapperPass)
161 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
162 INITIALIZE_PASS_END(LoopIdiomRecognize, "loop-idiom", "Recognize loop idioms",
163                     false, false)
164
165 Pass *llvm::createLoopIdiomPass() { return new LoopIdiomRecognize(); }
166
167 /// deleteDeadInstruction - Delete this instruction.  Before we do, go through
168 /// and zero out all the operands of this instruction.  If any of them become
169 /// dead, delete them and the computation tree that feeds them.
170 ///
171 static void deleteDeadInstruction(Instruction *I,
172                                   const TargetLibraryInfo *TLI) {
173   SmallVector<Value *, 16> Operands(I->value_op_begin(), I->value_op_end());
174   I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
175   I->eraseFromParent();
176   for (Value *Op : Operands)
177     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Op, TLI);
178 }
179
180 //===----------------------------------------------------------------------===//
181 //
182 //          Implementation of LoopIdiomRecognize
183 //
184 //===----------------------------------------------------------------------===//
185
186 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
187   if (skipOptnoneFunction(L))
188     return false;
189
190   CurLoop = L;
191   // If the loop could not be converted to canonical form, it must have an
192   // indirectbr in it, just give up.
193   if (!L->getLoopPreheader())
194     return false;
195
196   // Disable loop idiom recognition if the function's name is a common idiom.
197   StringRef Name = L->getHeader()->getParent()->getName();
198   if (Name == "memset" || Name == "memcpy")
199     return false;
200
201   AA = &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults();
202   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
203   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
204   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
205   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
206   TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
207       *CurLoop->getHeader()->getParent());
208
209   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L))
210     return runOnCountableLoop();
211
212   return runOnNoncountableLoop();
213 }
214
215 bool LoopIdiomRecognize::runOnCountableLoop() {
216   const SCEV *BECount = SE->getBackedgeTakenCount(CurLoop);
217   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(BECount) &&
218          "runOnCountableLoop() called on a loop without a predictable"
219          "backedge-taken count");
220
221   // If this loop executes exactly one time, then it should be peeled, not
222   // optimized by this pass.
223   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
224     if (BECst->getValue()->getValue() == 0)
225       return false;
226
227   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
228   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
229
230   DEBUG(dbgs() << "loop-idiom Scanning: F["
231                << CurLoop->getHeader()->getParent()->getName() << "] Loop %"
232                << CurLoop->getHeader()->getName() << "\n");
233
234   bool MadeChange = false;
235   // Scan all the blocks in the loop that are not in subloops.
236   for (auto *BB : CurLoop->getBlocks()) {
237     // Ignore blocks in subloops.
238     if (LI->getLoopFor(BB) != CurLoop)
239       continue;
240
241     MadeChange |= runOnLoopBlock(BB, BECount, ExitBlocks);
242   }
243   return MadeChange;
244 }
245
246 /// runOnLoopBlock - Process the specified block, which lives in a counted loop
247 /// with the specified backedge count.  This block is known to be in the current
248 /// loop and not in any subloops.
249 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoopBlock(
250     BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
251     SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks) {
252   // We can only promote stores in this block if they are unconditionally
253   // executed in the loop.  For a block to be unconditionally executed, it has
254   // to dominate all the exit blocks of the loop.  Verify this now.
255   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
256     if (!DT->dominates(BB, ExitBlocks[i]))
257       return false;
258
259   bool MadeChange = false;
260   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;) {
261     Instruction *Inst = I++;
262     // Look for store instructions, which may be optimized to memset/memcpy.
263     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
264       WeakVH InstPtr(I);
265       if (!processLoopStore(SI, BECount))
266         continue;
267       MadeChange = true;
268
269       // If processing the store invalidated our iterator, start over from the
270       // top of the block.
271       if (!InstPtr)
272         I = BB->begin();
273       continue;
274     }
275
276     // Look for memset instructions, which may be optimized to a larger memset.
277     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(Inst)) {
278       WeakVH InstPtr(I);
279       if (!processLoopMemSet(MSI, BECount))
280         continue;
281       MadeChange = true;
282
283       // If processing the memset invalidated our iterator, start over from the
284       // top of the block.
285       if (!InstPtr)
286         I = BB->begin();
287       continue;
288     }
289   }
290
291   return MadeChange;
292 }
293
294 /// processLoopStore - See if this store can be promoted to a memset or memcpy.
295 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStore(StoreInst *SI, const SCEV *BECount) {
296   if (!SI->isSimple())
297     return false;
298
299   Value *StoredVal = SI->getValueOperand();
300   Value *StorePtr = SI->getPointerOperand();
301
302   // Reject stores that are so large that they overflow an unsigned.
303   auto &DL = CurLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
304   uint64_t SizeInBits = DL.getTypeSizeInBits(StoredVal->getType());
305   if ((SizeInBits & 7) || (SizeInBits >> 32) != 0)
306     return false;
307
308   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
309   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
310   // random store we can't handle.
311   const SCEVAddRecExpr *StoreEv =
312       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(StorePtr));
313   if (!StoreEv || StoreEv->getLoop() != CurLoop || !StoreEv->isAffine())
314     return false;
315
316   // Check to see if the stride matches the size of the store.  If so, then we
317   // know that every byte is touched in the loop.
318   unsigned StoreSize = (unsigned)SizeInBits >> 3;
319   const SCEVConstant *Stride = dyn_cast<SCEVConstant>(StoreEv->getOperand(1));
320
321   if (!Stride || StoreSize != Stride->getValue()->getValue()) {
322     // TODO: Could also handle negative stride here someday, that will require
323     // the validity check in mayLoopAccessLocation to be updated though.
324     // Enable this to print exact negative strides.
325     if (0 && Stride && StoreSize == -Stride->getValue()->getValue()) {
326       dbgs() << "NEGATIVE STRIDE: " << *SI << "\n";
327       dbgs() << "BB: " << *SI->getParent();
328     }
329
330     return false;
331   }
332
333   // See if we can optimize just this store in isolation.
334   if (processLoopStridedStore(StorePtr, StoreSize, SI->getAlignment(),
335                               StoredVal, SI, StoreEv, BECount))
336     return true;
337
338   // If the stored value is a strided load in the same loop with the same stride
339   // this this may be transformable into a memcpy.  This kicks in for stuff like
340   //   for (i) A[i] = B[i];
341   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(StoredVal)) {
342     const SCEVAddRecExpr *LoadEv =
343         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(LI->getOperand(0)));
344     if (LoadEv && LoadEv->getLoop() == CurLoop && LoadEv->isAffine() &&
345         StoreEv->getOperand(1) == LoadEv->getOperand(1) && LI->isSimple())
346       if (processLoopStoreOfLoopLoad(SI, StoreSize, StoreEv, LoadEv, BECount))
347         return true;
348   }
349   // errs() << "UNHANDLED strided store: " << *StoreEv << " - " << *SI << "\n";
350
351   return false;
352 }
353
354 /// processLoopMemSet - See if this memset can be promoted to a large memset.
355 bool LoopIdiomRecognize::processLoopMemSet(MemSetInst *MSI,
356                                            const SCEV *BECount) {
357   // We can only handle non-volatile memsets with a constant size.
358   if (MSI->isVolatile() || !isa<ConstantInt>(MSI->getLength()))
359     return false;
360
361   // If we're not allowed to hack on memset, we fail.
362   if (!TLI->has(LibFunc::memset))
363     return false;
364
365   Value *Pointer = MSI->getDest();
366
367   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
368   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
369   // random store we can't handle.
370   const SCEVAddRecExpr *Ev = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Pointer));
371   if (!Ev || Ev->getLoop() != CurLoop || !Ev->isAffine())
372     return false;
373
374   // Reject memsets that are so large that they overflow an unsigned.
375   uint64_t SizeInBytes = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getZExtValue();
376   if ((SizeInBytes >> 32) != 0)
377     return false;
378
379   // Check to see if the stride matches the size of the memset.  If so, then we
380   // know that every byte is touched in the loop.
381   const SCEVConstant *Stride = dyn_cast<SCEVConstant>(Ev->getOperand(1));
382
383   // TODO: Could also handle negative stride here someday, that will require the
384   // validity check in mayLoopAccessLocation to be updated though.
385   if (!Stride || MSI->getLength() != Stride->getValue())
386     return false;
387
388   return processLoopStridedStore(Pointer, (unsigned)SizeInBytes,
389                                  MSI->getAlignment(), MSI->getValue(), MSI, Ev,
390                                  BECount);
391 }
392
393 /// mayLoopAccessLocation - Return true if the specified loop might access the
394 /// specified pointer location, which is a loop-strided access.  The 'Access'
395 /// argument specifies what the verboten forms of access are (read or write).
396 static bool mayLoopAccessLocation(Value *Ptr, ModRefInfo Access, Loop *L,
397                                   const SCEV *BECount, unsigned StoreSize,
398                                   AliasAnalysis &AA,
399                                   Instruction *IgnoredStore) {
400   // Get the location that may be stored across the loop.  Since the access is
401   // strided positively through memory, we say that the modified location starts
402   // at the pointer and has infinite size.
403   uint64_t AccessSize = MemoryLocation::UnknownSize;
404
405   // If the loop iterates a fixed number of times, we can refine the access size
406   // to be exactly the size of the memset, which is (BECount+1)*StoreSize
407   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
408     AccessSize = (BECst->getValue()->getZExtValue() + 1) * StoreSize;
409
410   // TODO: For this to be really effective, we have to dive into the pointer
411   // operand in the store.  Store to &A[i] of 100 will always return may alias
412   // with store of &A[100], we need to StoreLoc to be "A" with size of 100,
413   // which will then no-alias a store to &A[100].
414   MemoryLocation StoreLoc(Ptr, AccessSize);
415
416   for (Loop::block_iterator BI = L->block_begin(), E = L->block_end(); BI != E;
417        ++BI)
418     for (BasicBlock::iterator I = (*BI)->begin(), E = (*BI)->end(); I != E; ++I)
419       if (&*I != IgnoredStore && (AA.getModRefInfo(I, StoreLoc) & Access))
420         return true;
421
422   return false;
423 }
424
425 /// getMemSetPatternValue - If a strided store of the specified value is safe to
426 /// turn into a memset_pattern16, return a ConstantArray of 16 bytes that should
427 /// be passed in.  Otherwise, return null.
428 ///
429 /// Note that we don't ever attempt to use memset_pattern8 or 4, because these
430 /// just replicate their input array and then pass on to memset_pattern16.
431 static Constant *getMemSetPatternValue(Value *V, const DataLayout &DL) {
432   // If the value isn't a constant, we can't promote it to being in a constant
433   // array.  We could theoretically do a store to an alloca or something, but
434   // that doesn't seem worthwhile.
435   Constant *C = dyn_cast<Constant>(V);
436   if (!C)
437     return nullptr;
438
439   // Only handle simple values that are a power of two bytes in size.
440   uint64_t Size = DL.getTypeSizeInBits(V->getType());
441   if (Size == 0 || (Size & 7) || (Size & (Size - 1)))
442     return nullptr;
443
444   // Don't care enough about darwin/ppc to implement this.
445   if (DL.isBigEndian())
446     return nullptr;
447
448   // Convert to size in bytes.
449   Size /= 8;
450
451   // TODO: If CI is larger than 16-bytes, we can try slicing it in half to see
452   // if the top and bottom are the same (e.g. for vectors and large integers).
453   if (Size > 16)
454     return nullptr;
455
456   // If the constant is exactly 16 bytes, just use it.
457   if (Size == 16)
458     return C;
459
460   // Otherwise, we'll use an array of the constants.
461   unsigned ArraySize = 16 / Size;
462   ArrayType *AT = ArrayType::get(V->getType(), ArraySize);
463   return ConstantArray::get(AT, std::vector<Constant *>(ArraySize, C));
464 }
465
466 /// processLoopStridedStore - We see a strided store of some value.  If we can
467 /// transform this into a memset or memset_pattern in the loop preheader, do so.
468 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStridedStore(
469     Value *DestPtr, unsigned StoreSize, unsigned StoreAlignment,
470     Value *StoredVal, Instruction *TheStore, const SCEVAddRecExpr *Ev,
471     const SCEV *BECount) {
472
473   // If the stored value is a byte-wise value (like i32 -1), then it may be
474   // turned into a memset of i8 -1, assuming that all the consecutive bytes
475   // are stored.  A store of i32 0x01020304 can never be turned into a memset,
476   // but it can be turned into memset_pattern if the target supports it.
477   Value *SplatValue = isBytewiseValue(StoredVal);
478   Constant *PatternValue = nullptr;
479   auto &DL = CurLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
480   unsigned DestAS = DestPtr->getType()->getPointerAddressSpace();
481
482   // If we're allowed to form a memset, and the stored value would be acceptable
483   // for memset, use it.
484   if (SplatValue && TLI->has(LibFunc::memset) &&
485       // Verify that the stored value is loop invariant.  If not, we can't
486       // promote the memset.
487       CurLoop->isLoopInvariant(SplatValue)) {
488     // Keep and use SplatValue.
489     PatternValue = nullptr;
490   } else if (DestAS == 0 && TLI->has(LibFunc::memset_pattern16) &&
491              (PatternValue = getMemSetPatternValue(StoredVal, DL))) {
492     // Don't create memset_pattern16s with address spaces.
493     // It looks like we can use PatternValue!
494     SplatValue = nullptr;
495   } else {
496     // Otherwise, this isn't an idiom we can transform.  For example, we can't
497     // do anything with a 3-byte store.
498     return false;
499   }
500
501   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
502   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
503   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
504   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
505   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
506   SCEVExpander Expander(*SE, DL, "loop-idiom");
507
508   Type *DestInt8PtrTy = Builder.getInt8PtrTy(DestAS);
509
510   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a splattable value.  We can turn
511   // this into a memset in the loop preheader now if we want.  However, this
512   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
513   // or write to the aliased location.  Check for any overlap by generating the
514   // base pointer and checking the region.
515   Value *BasePtr = Expander.expandCodeFor(Ev->getStart(), DestInt8PtrTy,
516                                           Preheader->getTerminator());
517
518   if (mayLoopAccessLocation(BasePtr, MRI_ModRef, CurLoop, BECount, StoreSize,
519                             *AA, TheStore)) {
520     Expander.clear();
521     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
522     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(BasePtr, TLI);
523     return false;
524   }
525
526   // Okay, everything looks good, insert the memset.
527
528   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
529   // pointer size if it isn't already.
530   Type *IntPtr = Builder.getIntPtrTy(DL, DestAS);
531   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtr);
532
533   const SCEV *NumBytesS =
534       SE->getAddExpr(BECount, SE->getConstant(IntPtr, 1), SCEV::FlagNUW);
535   if (StoreSize != 1) {
536     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtr, StoreSize),
537                                SCEV::FlagNUW);
538   }
539
540   Value *NumBytes =
541       Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtr, Preheader->getTerminator());
542
543   CallInst *NewCall;
544   if (SplatValue) {
545     NewCall =
546         Builder.CreateMemSet(BasePtr, SplatValue, NumBytes, StoreAlignment);
547   } else {
548     // Everything is emitted in default address space
549     Type *Int8PtrTy = DestInt8PtrTy;
550
551     Module *M = TheStore->getParent()->getParent()->getParent();
552     Value *MSP =
553         M->getOrInsertFunction("memset_pattern16", Builder.getVoidTy(),
554                                Int8PtrTy, Int8PtrTy, IntPtr, (void *)nullptr);
555
556     // Otherwise we should form a memset_pattern16.  PatternValue is known to be
557     // an constant array of 16-bytes.  Plop the value into a mergable global.
558     GlobalVariable *GV = new GlobalVariable(*M, PatternValue->getType(), true,
559                                             GlobalValue::PrivateLinkage,
560                                             PatternValue, ".memset_pattern");
561     GV->setUnnamedAddr(true); // Ok to merge these.
562     GV->setAlignment(16);
563     Value *PatternPtr = ConstantExpr::getBitCast(GV, Int8PtrTy);
564     NewCall = Builder.CreateCall(MSP, {BasePtr, PatternPtr, NumBytes});
565   }
566
567   DEBUG(dbgs() << "  Formed memset: " << *NewCall << "\n"
568                << "    from store to: " << *Ev << " at: " << *TheStore << "\n");
569   NewCall->setDebugLoc(TheStore->getDebugLoc());
570
571   // Okay, the memset has been formed.  Zap the original store and anything that
572   // feeds into it.
573   deleteDeadInstruction(TheStore, TLI);
574   ++NumMemSet;
575   return true;
576 }
577
578 /// processLoopStoreOfLoopLoad - We see a strided store whose value is a
579 /// same-strided load.
580 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStoreOfLoopLoad(
581     StoreInst *SI, unsigned StoreSize, const SCEVAddRecExpr *StoreEv,
582     const SCEVAddRecExpr *LoadEv, const SCEV *BECount) {
583   // If we're not allowed to form memcpy, we fail.
584   if (!TLI->has(LibFunc::memcpy))
585     return false;
586
587   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(SI->getValueOperand());
588
589   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
590   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
591   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
592   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
593   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
594   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
595   SCEVExpander Expander(*SE, DL, "loop-idiom");
596
597   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a loaded value.  We can turn
598   // this into a memcpy in the loop preheader now if we want.  However, this
599   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
600   // or write the memory region we're storing to.  This includes the load that
601   // feeds the stores.  Check for an alias by generating the base address and
602   // checking everything.
603   Value *StoreBasePtr = Expander.expandCodeFor(
604       StoreEv->getStart(), Builder.getInt8PtrTy(SI->getPointerAddressSpace()),
605       Preheader->getTerminator());
606
607   if (mayLoopAccessLocation(StoreBasePtr, MRI_ModRef, CurLoop, BECount,
608                             StoreSize, *AA, SI)) {
609     Expander.clear();
610     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
611     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
612     return false;
613   }
614
615   // For a memcpy, we have to make sure that the input array is not being
616   // mutated by the loop.
617   Value *LoadBasePtr = Expander.expandCodeFor(
618       LoadEv->getStart(), Builder.getInt8PtrTy(LI->getPointerAddressSpace()),
619       Preheader->getTerminator());
620
621   if (mayLoopAccessLocation(LoadBasePtr, MRI_Mod, CurLoop, BECount, StoreSize,
622                             *AA, SI)) {
623     Expander.clear();
624     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
625     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(LoadBasePtr, TLI);
626     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
627     return false;
628   }
629
630   // Okay, everything is safe, we can transform this!
631
632   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
633   // pointer size if it isn't already.
634   Type *IntPtrTy = Builder.getIntPtrTy(DL, SI->getPointerAddressSpace());
635   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtrTy);
636
637   const SCEV *NumBytesS =
638       SE->getAddExpr(BECount, SE->getConstant(IntPtrTy, 1), SCEV::FlagNUW);
639   if (StoreSize != 1)
640     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtrTy, StoreSize),
641                                SCEV::FlagNUW);
642
643   Value *NumBytes =
644       Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtrTy, Preheader->getTerminator());
645
646   CallInst *NewCall =
647       Builder.CreateMemCpy(StoreBasePtr, LoadBasePtr, NumBytes,
648                            std::min(SI->getAlignment(), LI->getAlignment()));
649   NewCall->setDebugLoc(SI->getDebugLoc());
650
651   DEBUG(dbgs() << "  Formed memcpy: " << *NewCall << "\n"
652                << "    from load ptr=" << *LoadEv << " at: " << *LI << "\n"
653                << "    from store ptr=" << *StoreEv << " at: " << *SI << "\n");
654
655   // Okay, the memset has been formed.  Zap the original store and anything that
656   // feeds into it.
657   deleteDeadInstruction(SI, TLI);
658   ++NumMemCpy;
659   return true;
660 }
661
662 bool LoopIdiomRecognize::runOnNoncountableLoop() {
663   if (recognizePopcount())
664     return true;
665
666   return false;
667 }
668
669 /// Check if the given conditional branch is based on the comparison between
670 /// a variable and zero, and if the variable is non-zero, the control yields to
671 /// the loop entry. If the branch matches the behavior, the variable involved
672 /// in the comparion is returned. This function will be called to see if the
673 /// precondition and postcondition of the loop are in desirable form.
674 static Value *matchCondition(BranchInst *BI, BasicBlock *LoopEntry) {
675   if (!BI || !BI->isConditional())
676     return nullptr;
677
678   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
679   if (!Cond)
680     return nullptr;
681
682   ConstantInt *CmpZero = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1));
683   if (!CmpZero || !CmpZero->isZero())
684     return nullptr;
685
686   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
687   if ((Pred == ICmpInst::ICMP_NE && BI->getSuccessor(0) == LoopEntry) ||
688       (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && BI->getSuccessor(1) == LoopEntry))
689     return Cond->getOperand(0);
690
691   return nullptr;
692 }
693
694 /// Return true iff the idiom is detected in the loop.
695 ///
696 /// Additionally:
697 /// 1) \p CntInst is set to the instruction counting the population bit.
698 /// 2) \p CntPhi is set to the corresponding phi node.
699 /// 3) \p Var is set to the value whose population bits are being counted.
700 ///
701 /// The core idiom we are trying to detect is:
702 /// \code
703 ///    if (x0 != 0)
704 ///      goto loop-exit // the precondition of the loop
705 ///    cnt0 = init-val;
706 ///    do {
707 ///       x1 = phi (x0, x2);
708 ///       cnt1 = phi(cnt0, cnt2);
709 ///
710 ///       cnt2 = cnt1 + 1;
711 ///        ...
712 ///       x2 = x1 & (x1 - 1);
713 ///        ...
714 ///    } while(x != 0);
715 ///
716 /// loop-exit:
717 /// \endcode
718 static bool detectPopcountIdiom(Loop *CurLoop, BasicBlock *PreCondBB,
719                                 Instruction *&CntInst, PHINode *&CntPhi,
720                                 Value *&Var) {
721   // step 1: Check to see if the look-back branch match this pattern:
722   //    "if (a!=0) goto loop-entry".
723   BasicBlock *LoopEntry;
724   Instruction *DefX2, *CountInst;
725   Value *VarX1, *VarX0;
726   PHINode *PhiX, *CountPhi;
727
728   DefX2 = CountInst = nullptr;
729   VarX1 = VarX0 = nullptr;
730   PhiX = CountPhi = nullptr;
731   LoopEntry = *(CurLoop->block_begin());
732
733   // step 1: Check if the loop-back branch is in desirable form.
734   {
735     if (Value *T = matchCondition(
736             dyn_cast<BranchInst>(LoopEntry->getTerminator()), LoopEntry))
737       DefX2 = dyn_cast<Instruction>(T);
738     else
739       return false;
740   }
741
742   // step 2: detect instructions corresponding to "x2 = x1 & (x1 - 1)"
743   {
744     if (!DefX2 || DefX2->getOpcode() != Instruction::And)
745       return false;
746
747     BinaryOperator *SubOneOp;
748
749     if ((SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(0))))
750       VarX1 = DefX2->getOperand(1);
751     else {
752       VarX1 = DefX2->getOperand(0);
753       SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(1));
754     }
755     if (!SubOneOp)
756       return false;
757
758     Instruction *SubInst = cast<Instruction>(SubOneOp);
759     ConstantInt *Dec = dyn_cast<ConstantInt>(SubInst->getOperand(1));
760     if (!Dec ||
761         !((SubInst->getOpcode() == Instruction::Sub && Dec->isOne()) ||
762           (SubInst->getOpcode() == Instruction::Add &&
763            Dec->isAllOnesValue()))) {
764       return false;
765     }
766   }
767
768   // step 3: Check the recurrence of variable X
769   {
770     PhiX = dyn_cast<PHINode>(VarX1);
771     if (!PhiX ||
772         (PhiX->getOperand(0) != DefX2 && PhiX->getOperand(1) != DefX2)) {
773       return false;
774     }
775   }
776
777   // step 4: Find the instruction which count the population: cnt2 = cnt1 + 1
778   {
779     CountInst = nullptr;
780     for (BasicBlock::iterator Iter = LoopEntry->getFirstNonPHI(),
781                               IterE = LoopEntry->end();
782          Iter != IterE; Iter++) {
783       Instruction *Inst = Iter;
784       if (Inst->getOpcode() != Instruction::Add)
785         continue;
786
787       ConstantInt *Inc = dyn_cast<ConstantInt>(Inst->getOperand(1));
788       if (!Inc || !Inc->isOne())
789         continue;
790
791       PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(Inst->getOperand(0));
792       if (!Phi || Phi->getParent() != LoopEntry)
793         continue;
794
795       // Check if the result of the instruction is live of the loop.
796       bool LiveOutLoop = false;
797       for (User *U : Inst->users()) {
798         if ((cast<Instruction>(U))->getParent() != LoopEntry) {
799           LiveOutLoop = true;
800           break;
801         }
802       }
803
804       if (LiveOutLoop) {
805         CountInst = Inst;
806         CountPhi = Phi;
807         break;
808       }
809     }
810
811     if (!CountInst)
812       return false;
813   }
814
815   // step 5: check if the precondition is in this form:
816   //   "if (x != 0) goto loop-head ; else goto somewhere-we-don't-care;"
817   {
818     auto *PreCondBr = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
819     Value *T = matchCondition(PreCondBr, CurLoop->getLoopPreheader());
820     if (T != PhiX->getOperand(0) && T != PhiX->getOperand(1))
821       return false;
822
823     CntInst = CountInst;
824     CntPhi = CountPhi;
825     Var = T;
826   }
827
828   return true;
829 }
830
831 /// Recognizes a population count idiom in a non-countable loop.
832 ///
833 /// If detected, transforms the relevant code to issue the popcount intrinsic
834 /// function call, and returns true; otherwise, returns false.
835 bool LoopIdiomRecognize::recognizePopcount() {
836   if (TTI->getPopcntSupport(32) != TargetTransformInfo::PSK_FastHardware)
837     return false;
838
839   // Counting population are usually conducted by few arithmetic instructions.
840   // Such instructions can be easily "absorbed" by vacant slots in a
841   // non-compact loop. Therefore, recognizing popcount idiom only makes sense
842   // in a compact loop.
843
844   // Give up if the loop has multiple blocks or multiple backedges.
845   if (CurLoop->getNumBackEdges() != 1 || CurLoop->getNumBlocks() != 1)
846     return false;
847
848   BasicBlock *LoopBody = *(CurLoop->block_begin());
849   if (LoopBody->size() >= 20) {
850     // The loop is too big, bail out.
851     return false;
852   }
853
854   // It should have a preheader containing nothing but an unconditional branch.
855   BasicBlock *PH = CurLoop->getLoopPreheader();
856   if (!PH)
857     return false;
858   if (&PH->front() != PH->getTerminator())
859     return false;
860   auto *EntryBI = dyn_cast<BranchInst>(PH->getTerminator());
861   if (!EntryBI || EntryBI->isConditional())
862     return false;
863
864   // It should have a precondition block where the generated popcount instrinsic
865   // function can be inserted.
866   auto *PreCondBB = PH->getSinglePredecessor();
867   if (!PreCondBB)
868     return false;
869   auto *PreCondBI = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
870   if (!PreCondBI || PreCondBI->isUnconditional())
871     return false;
872
873   Instruction *CntInst;
874   PHINode *CntPhi;
875   Value *Val;
876   if (!detectPopcountIdiom(CurLoop, PreCondBB, CntInst, CntPhi, Val))
877     return false;
878
879   transformLoopToPopcount(PreCondBB, CntInst, CntPhi, Val);
880   return true;
881 }
882
883 static CallInst *createPopcntIntrinsic(IRBuilder<> &IRBuilder, Value *Val,
884                                        DebugLoc DL) {
885   Value *Ops[] = {Val};
886   Type *Tys[] = {Val->getType()};
887
888   Module *M = IRBuilder.GetInsertBlock()->getParent()->getParent();
889   Value *Func = Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::ctpop, Tys);
890   CallInst *CI = IRBuilder.CreateCall(Func, Ops);
891   CI->setDebugLoc(DL);
892
893   return CI;
894 }
895
896 void LoopIdiomRecognize::transformLoopToPopcount(BasicBlock *PreCondBB,
897                                                  Instruction *CntInst,
898                                                  PHINode *CntPhi, Value *Var) {
899   BasicBlock *PreHead = CurLoop->getLoopPreheader();
900   auto *PreCondBr = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
901   const DebugLoc DL = CntInst->getDebugLoc();
902
903   // Assuming before transformation, the loop is following:
904   //  if (x) // the precondition
905   //     do { cnt++; x &= x - 1; } while(x);
906
907   // Step 1: Insert the ctpop instruction at the end of the precondition block
908   IRBuilder<> Builder(PreCondBr);
909   Value *PopCnt, *PopCntZext, *NewCount, *TripCnt;
910   {
911     PopCnt = createPopcntIntrinsic(Builder, Var, DL);
912     NewCount = PopCntZext =
913         Builder.CreateZExtOrTrunc(PopCnt, cast<IntegerType>(CntPhi->getType()));
914
915     if (NewCount != PopCnt)
916       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
917
918     // TripCnt is exactly the number of iterations the loop has
919     TripCnt = NewCount;
920
921     // If the population counter's initial value is not zero, insert Add Inst.
922     Value *CntInitVal = CntPhi->getIncomingValueForBlock(PreHead);
923     ConstantInt *InitConst = dyn_cast<ConstantInt>(CntInitVal);
924     if (!InitConst || !InitConst->isZero()) {
925       NewCount = Builder.CreateAdd(NewCount, CntInitVal);
926       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
927     }
928   }
929
930   // Step 2: Replace the precondition from "if (x == 0) goto loop-exit" to
931   //   "if (NewCount == 0) loop-exit". Without this change, the intrinsic
932   //   function would be partial dead code, and downstream passes will drag
933   //   it back from the precondition block to the preheader.
934   {
935     ICmpInst *PreCond = cast<ICmpInst>(PreCondBr->getCondition());
936
937     Value *Opnd0 = PopCntZext;
938     Value *Opnd1 = ConstantInt::get(PopCntZext->getType(), 0);
939     if (PreCond->getOperand(0) != Var)
940       std::swap(Opnd0, Opnd1);
941
942     ICmpInst *NewPreCond = cast<ICmpInst>(
943         Builder.CreateICmp(PreCond->getPredicate(), Opnd0, Opnd1));
944     PreCondBr->setCondition(NewPreCond);
945
946     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PreCond, TLI);
947   }
948
949   // Step 3: Note that the population count is exactly the trip count of the
950   // loop in question, which enable us to to convert the loop from noncountable
951   // loop into a countable one. The benefit is twofold:
952   //
953   //  - If the loop only counts population, the entire loop becomes dead after
954   //    the transformation. It is a lot easier to prove a countable loop dead
955   //    than to prove a noncountable one. (In some C dialects, an infinite loop
956   //    isn't dead even if it computes nothing useful. In general, DCE needs
957   //    to prove a noncountable loop finite before safely delete it.)
958   //
959   //  - If the loop also performs something else, it remains alive.
960   //    Since it is transformed to countable form, it can be aggressively
961   //    optimized by some optimizations which are in general not applicable
962   //    to a noncountable loop.
963   //
964   // After this step, this loop (conceptually) would look like following:
965   //   newcnt = __builtin_ctpop(x);
966   //   t = newcnt;
967   //   if (x)
968   //     do { cnt++; x &= x-1; t--) } while (t > 0);
969   BasicBlock *Body = *(CurLoop->block_begin());
970   {
971     auto *LbBr = dyn_cast<BranchInst>(Body->getTerminator());
972     ICmpInst *LbCond = cast<ICmpInst>(LbBr->getCondition());
973     Type *Ty = TripCnt->getType();
974
975     PHINode *TcPhi = PHINode::Create(Ty, 2, "tcphi", Body->begin());
976
977     Builder.SetInsertPoint(LbCond);
978     Instruction *TcDec = cast<Instruction>(
979         Builder.CreateSub(TcPhi, ConstantInt::get(Ty, 1),
980                           "tcdec", false, true));
981
982     TcPhi->addIncoming(TripCnt, PreHead);
983     TcPhi->addIncoming(TcDec, Body);
984
985     CmpInst::Predicate Pred =
986         (LbBr->getSuccessor(0) == Body) ? CmpInst::ICMP_UGT : CmpInst::ICMP_SLE;
987     LbCond->setPredicate(Pred);
988     LbCond->setOperand(0, TcDec);
989     LbCond->setOperand(1, ConstantInt::get(Ty, 0));
990   }
991
992   // Step 4: All the references to the original population counter outside
993   //  the loop are replaced with the NewCount -- the value returned from
994   //  __builtin_ctpop().
995   CntInst->replaceUsesOutsideBlock(NewCount, Body);
996
997   // step 5: Forget the "non-computable" trip-count SCEV associated with the
998   //   loop. The loop would otherwise not be deleted even if it becomes empty.
999   SE->forgetLoop(CurLoop);
1000 }