lib/Transforms/Scalar/LoopRerollPass.cpp

   1 //===-- LoopReroll.cpp - Loop rerolling pass ------------------------------===//
   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 a simple loop reroller.
  11 //
  12 //===----------------------------------------------------------------------===//
  13
  14 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  15 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
  16 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  17 #include "llvm/ADT/SmallBitVector.h"
  18 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
  19 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  20 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  21 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
  22 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  23 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  24 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
  25 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  26 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  27 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  28 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  29 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  30 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  31 #include "llvm/Support/Debug.h"
  32 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  33 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
  34 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  35 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  36 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
  37
  38 using namespace llvm;
  39
  40 #define DEBUG_TYPE "loop-reroll"
  41
  42 STATISTIC(NumRerolledLoops, "Number of rerolled loops");
  43
  44 static cl::opt<unsigned>
  45 MaxInc("max-reroll-increment", cl::init(2048), cl::Hidden,
  46   cl::desc("The maximum increment for loop rerolling"));
  47
  48 static cl::opt<unsigned>
  49 NumToleratedFailedMatches("reroll-num-tolerated-failed-matches", cl::init(400),
  50                           cl::Hidden,
  51                           cl::desc("The maximum number of failures to tolerate"
  52                                    " during fuzzy matching. (default: 400)"));
  53
  54 // This loop re-rolling transformation aims to transform loops like this:
  55 //
  56 // int foo(int a);
  57 // void bar(int *x) {
  58 //   for (int i = 0; i < 500; i += 3) {
  59 //     foo(i);
  60 //     foo(i+1);
  61 //     foo(i+2);
  62 //   }
  63 // }
  64 //
  65 // into a loop like this:
  66 //
  67 // void bar(int *x) {
  68 //   for (int i = 0; i < 500; ++i)
  69 //     foo(i);
  70 // }
  71 //
  72 // It does this by looking for loops that, besides the latch code, are composed
  73 // of isomorphic DAGs of instructions, with each DAG rooted at some increment
  74 // to the induction variable, and where each DAG is isomorphic to the DAG
  75 // rooted at the induction variable (excepting the sub-DAGs which root the
  76 // other induction-variable increments). In other words, we're looking for loop
  77 // bodies of the form:
  78 //
  79 // %iv = phi [ (preheader, ...), (body, %iv.next) ]
  80 // f(%iv)
  81 // %iv.1 = add %iv, 1                <-- a root increment
  82 // f(%iv.1)
  83 // %iv.2 = add %iv, 2                <-- a root increment
  84 // f(%iv.2)
  85 // %iv.scale_m_1 = add %iv, scale-1  <-- a root increment
  86 // f(%iv.scale_m_1)
  87 // ...
  88 // %iv.next = add %iv, scale
  89 // %cmp = icmp(%iv, ...)
  90 // br %cmp, header, exit
  91 //
  92 // where each f(i) is a set of instructions that, collectively, are a function
  93 // only of i (and other loop-invariant values).
  94 //
  95 // As a special case, we can also reroll loops like this:
  96 //
  97 // int foo(int);
  98 // void bar(int *x) {
  99 //   for (int i = 0; i < 500; ++i) {
 100 //     x[3*i] = foo(0);
 101 //     x[3*i+1] = foo(0);
 102 //     x[3*i+2] = foo(0);
 103 //   }
 104 // }
 105 //
 106 // into this:
 107 //
 108 // void bar(int *x) {
 109 //   for (int i = 0; i < 1500; ++i)
 110 //     x[i] = foo(0);
 111 // }
 112 //
 113 // in which case, we're looking for inputs like this:
 114 //
 115 // %iv = phi [ (preheader, ...), (body, %iv.next) ]
 116 // %scaled.iv = mul %iv, scale
 117 // f(%scaled.iv)
 118 // %scaled.iv.1 = add %scaled.iv, 1
 119 // f(%scaled.iv.1)
 120 // %scaled.iv.2 = add %scaled.iv, 2
 121 // f(%scaled.iv.2)
 122 // %scaled.iv.scale_m_1 = add %scaled.iv, scale-1
 123 // f(%scaled.iv.scale_m_1)
 124 // ...
 125 // %iv.next = add %iv, 1
 126 // %cmp = icmp(%iv, ...)
 127 // br %cmp, header, exit
 128
 129 namespace {
 130   enum IterationLimits {
 131     /// The maximum number of iterations that we'll try and reroll. This
 132     /// has to be less than 25 in order to fit into a SmallBitVector.
 133     IL_MaxRerollIterations = 16,
 134     /// The bitvector index used by loop induction variables and other
 135     /// instructions that belong to all iterations.
 136     IL_All,
 137     IL_End
 138   };
 139
 140   class LoopReroll : public LoopPass {
 141   public:
 142     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
 143     LoopReroll() : LoopPass(ID) {
 144       initializeLoopRerollPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 145     }
 146
 147     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
 148
 149     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
 150       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
 151       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
 152       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
 153       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
 154       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
 155       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
 156       AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
 157     }
 158
 159   protected:
 160     AliasAnalysis *AA;
 161     LoopInfo *LI;
 162     ScalarEvolution *SE;
 163     const DataLayout *DL;
 164     TargetLibraryInfo *TLI;
 165     DominatorTree *DT;
 166
 167     typedef SmallVector<Instruction *, 16> SmallInstructionVector;
 168     typedef SmallSet<Instruction *, 16>   SmallInstructionSet;
 169
 170     // A chain of isomorphic instructions, indentified by a single-use PHI,
 171     // representing a reduction. Only the last value may be used outside the
 172     // loop.
 173     struct SimpleLoopReduction {
 174       SimpleLoopReduction(Instruction *P, Loop *L)
 175         : Valid(false), Instructions(1, P) {
 176         assert(isa<PHINode>(P) && "First reduction instruction must be a PHI");
 177         add(L);
 178       }
 179
 180       bool valid() const {
 181         return Valid;
 182       }
 183
 184       Instruction *getPHI() const {
 185         assert(Valid && "Using invalid reduction");
 186         return Instructions.front();
 187       }
 188
 189       Instruction *getReducedValue() const {
 190         assert(Valid && "Using invalid reduction");
 191         return Instructions.back();
 192       }
 193
 194       Instruction *get(size_t i) const {
 195         assert(Valid && "Using invalid reduction");
 196         return Instructions[i+1];
 197       }
 198
 199       Instruction *operator [] (size_t i) const { return get(i); }
 200
 201       // The size, ignoring the initial PHI.
 202       size_t size() const {
 203         assert(Valid && "Using invalid reduction");
 204         return Instructions.size()-1;
 205       }
 206
 207       typedef SmallInstructionVector::iterator iterator;
 208       typedef SmallInstructionVector::const_iterator const_iterator;
 209
 210       iterator begin() {
 211         assert(Valid && "Using invalid reduction");
 212         return std::next(Instructions.begin());
 213       }
 214
 215       const_iterator begin() const {
 216         assert(Valid && "Using invalid reduction");
 217         return std::next(Instructions.begin());
 218       }
 219
 220       iterator end() { return Instructions.end(); }
 221       const_iterator end() const { return Instructions.end(); }
 222
 223     protected:
 224       bool Valid;
 225       SmallInstructionVector Instructions;
 226
 227       void add(Loop *L);
 228     };
 229
 230     // The set of all reductions, and state tracking of possible reductions
 231     // during loop instruction processing.
 232     struct ReductionTracker {
 233       typedef SmallVector<SimpleLoopReduction, 16> SmallReductionVector;
 234
 235       // Add a new possible reduction.
 236       void addSLR(SimpleLoopReduction &SLR) { PossibleReds.push_back(SLR); }
 237
 238       // Setup to track possible reductions corresponding to the provided
 239       // rerolling scale. Only reductions with a number of non-PHI instructions
 240       // that is divisible by the scale are considered. Three instructions sets
 241       // are filled in:
 242       //   - A set of all possible instructions in eligible reductions.
 243       //   - A set of all PHIs in eligible reductions
 244       //   - A set of all reduced values (last instructions) in eligible
 245       //     reductions.
 246       void restrictToScale(uint64_t Scale,
 247                            SmallInstructionSet &PossibleRedSet,
 248                            SmallInstructionSet &PossibleRedPHISet,
 249                            SmallInstructionSet &PossibleRedLastSet) {
 250         PossibleRedIdx.clear();
 251         PossibleRedIter.clear();
 252         Reds.clear();
 253
 254         for (unsigned i = 0, e = PossibleReds.size(); i != e; ++i)
 255           if (PossibleReds[i].size() % Scale == 0) {
 256             PossibleRedLastSet.insert(PossibleReds[i].getReducedValue());
 257             PossibleRedPHISet.insert(PossibleReds[i].getPHI());
 258
 259             PossibleRedSet.insert(PossibleReds[i].getPHI());
 260             PossibleRedIdx[PossibleReds[i].getPHI()] = i;
 261             for (Instruction *J : PossibleReds[i]) {
 262               PossibleRedSet.insert(J);
 263               PossibleRedIdx[J] = i;
 264             }
 265           }
 266       }
 267
 268       // The functions below are used while processing the loop instructions.
 269
 270       // Are the two instructions both from reductions, and furthermore, from
 271       // the same reduction?
 272       bool isPairInSame(Instruction *J1, Instruction *J2) {
 273         DenseMap<Instruction *, int>::iterator J1I = PossibleRedIdx.find(J1);
 274         if (J1I != PossibleRedIdx.end()) {
 275           DenseMap<Instruction *, int>::iterator J2I = PossibleRedIdx.find(J2);
 276           if (J2I != PossibleRedIdx.end() && J1I->second == J2I->second)
 277             return true;
 278         }
 279
 280         return false;
 281       }
 282
 283       // The two provided instructions, the first from the base iteration, and
 284       // the second from iteration i, form a matched pair. If these are part of
 285       // a reduction, record that fact.
 286       void recordPair(Instruction *J1, Instruction *J2, unsigned i) {
 287         if (PossibleRedIdx.count(J1)) {
 288           assert(PossibleRedIdx.count(J2) &&
 289                  "Recording reduction vs. non-reduction instruction?");
 290
 291           PossibleRedIter[J1] = 0;
 292           PossibleRedIter[J2] = i;
 293
 294           int Idx = PossibleRedIdx[J1];
 295           assert(Idx == PossibleRedIdx[J2] &&
 296                  "Recording pair from different reductions?");
 297           Reds.insert(Idx);
 298         }
 299       }
 300
 301       // The functions below can be called after we've finished processing all
 302       // instructions in the loop, and we know which reductions were selected.
 303
 304       // Is the provided instruction the PHI of a reduction selected for
 305       // rerolling?
 306       bool isSelectedPHI(Instruction *J) {
 307         if (!isa<PHINode>(J))
 308           return false;
 309
 310         for (DenseSet<int>::iterator RI = Reds.begin(), RIE = Reds.end();
 311              RI != RIE; ++RI) {
 312           int i = *RI;
 313           if (cast<Instruction>(J) == PossibleReds[i].getPHI())
 314             return true;
 315         }
 316
 317         return false;
 318       }
 319
 320       bool validateSelected();
 321       void replaceSelected();
 322
 323     protected:
 324       // The vector of all possible reductions (for any scale).
 325       SmallReductionVector PossibleReds;
 326
 327       DenseMap<Instruction *, int> PossibleRedIdx;
 328       DenseMap<Instruction *, int> PossibleRedIter;
 329       DenseSet<int> Reds;
 330     };
 331
 332     // A DAGRootSet models an induction variable being used in a rerollable
 333     // loop. For example,
 334     //
 335     //   x[i*3+0] = y1
 336     //   x[i*3+1] = y2
 337     //   x[i*3+2] = y3
 338     //
 339     //   Base instruction -> i*3
 340     //                    +---+----+
 341     //                   /    |     \
 342     //               ST[y1]  +1     +2  <-- Roots
 343     //                        |      |
 344     //                      ST[y2] ST[y3]
 345     //
 346     // There may be multiple DAGRoots, for example:
 347     //
 348     //   x[i*2+0] = ...   (1)
 349     //   x[i*2+1] = ...   (1)
 350     //   x[i*2+4] = ...   (2)
 351     //   x[i*2+5] = ...   (2)
 352     //   x[(i+1234)*2+5678] = ... (3)
 353     //   x[(i+1234)*2+5679] = ... (3)
 354     //
 355     // The loop will be rerolled by adding a new loop induction variable,
 356     // one for the Base instruction in each DAGRootSet.
 357     //
 358     struct DAGRootSet {
 359       Instruction *BaseInst;
 360       SmallInstructionVector Roots;
 361       // The instructions between IV and BaseInst (but not including BaseInst).
 362       SmallInstructionSet SubsumedInsts;
 363     };
 364
 365     // The set of all DAG roots, and state tracking of all roots
 366     // for a particular induction variable.
 367     struct DAGRootTracker {
 368       DAGRootTracker(LoopReroll *Parent, Loop *L, Instruction *IV,
 369                      ScalarEvolution *SE, AliasAnalysis *AA,
 370                      TargetLibraryInfo *TLI, const DataLayout *DL)
 371         : Parent(Parent), L(L), SE(SE), AA(AA), TLI(TLI),
 372           DL(DL), IV(IV) {
 373       }
 374
 375       /// Stage 1: Find all the DAG roots for the induction variable.
 376       bool findRoots();
 377       /// Stage 2: Validate if the found roots are valid.
 378       bool validate(ReductionTracker &Reductions);
 379       /// Stage 3: Assuming validate() returned true, perform the
 380       /// replacement.
 381       /// @param IterCount The maximum iteration count of L.
 382       void replace(const SCEV *IterCount);
 383
 384     protected:
 385       typedef MapVector<Instruction*, SmallBitVector> UsesTy;
 386
 387       bool findRootsRecursive(Instruction *IVU,
 388                               SmallInstructionSet SubsumedInsts);
 389       bool findRootsBase(Instruction *IVU, SmallInstructionSet SubsumedInsts);
 390       bool collectPossibleRoots(Instruction *Base,
 391                                 std::map<int64_t,Instruction*> &Roots);
 392
 393       bool collectUsedInstructions(SmallInstructionSet &PossibleRedSet);
 394       void collectInLoopUserSet(const SmallInstructionVector &Roots,
 395                                 const SmallInstructionSet &Exclude,
 396                                 const SmallInstructionSet &Final,
 397                                 DenseSet<Instruction *> &Users);
 398       void collectInLoopUserSet(Instruction *Root,
 399                                 const SmallInstructionSet &Exclude,
 400                                 const SmallInstructionSet &Final,
 401                                 DenseSet<Instruction *> &Users);
 402
 403       UsesTy::iterator nextInstr(int Val, UsesTy &In,
 404                                  const SmallInstructionSet &Exclude,
 405                                  UsesTy::iterator *StartI=nullptr);
 406       bool isBaseInst(Instruction *I);
 407       bool isRootInst(Instruction *I);
 408       bool instrDependsOn(Instruction *I,
 409                           UsesTy::iterator Start,
 410                           UsesTy::iterator End);
 411
 412       LoopReroll *Parent;
 413
 414       // Members of Parent, replicated here for brevity.
 415       Loop *L;
 416       ScalarEvolution *SE;
 417       AliasAnalysis *AA;
 418       TargetLibraryInfo *TLI;
 419       const DataLayout *DL;
 420
 421       // The loop induction variable.
 422       Instruction *IV;
 423       // Loop step amount.
 424       uint64_t Inc;
 425       // Loop reroll count; if Inc == 1, this records the scaling applied
 426       // to the indvar: a[i*2+0] = ...; a[i*2+1] = ... ;
 427       // If Inc is not 1, Scale = Inc.
 428       uint64_t Scale;
 429       // The roots themselves.
 430       SmallVector<DAGRootSet,16> RootSets;
 431       // All increment instructions for IV.
 432       SmallInstructionVector LoopIncs;
 433       // Map of all instructions in the loop (in order) to the iterations
 434       // they are used in (or specially, IL_All for instructions
 435       // used in the loop increment mechanism).
 436       UsesTy Uses;
 437     };
 438
 439     void collectPossibleIVs(Loop *L, SmallInstructionVector &PossibleIVs);
 440     void collectPossibleReductions(Loop *L,
 441            ReductionTracker &Reductions);
 442     bool reroll(Instruction *IV, Loop *L, BasicBlock *Header, const SCEV *IterCount,
 443                 ReductionTracker &Reductions);
 444   };
 445 }
 446
 447 char LoopReroll::ID = 0;
 448 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopReroll, "loop-reroll", "Reroll loops", false, false)
 449 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
 450 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
 451 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
 452 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
 453 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
 454 INITIALIZE_PASS_END(LoopReroll, "loop-reroll", "Reroll loops", false, false)
 455
 456 Pass *llvm::createLoopRerollPass() {
 457   return new LoopReroll;
 458 }
 459
 460 // Returns true if the provided instruction is used outside the given loop.
 461 // This operates like Instruction::isUsedOutsideOfBlock, but considers PHIs in
 462 // non-loop blocks to be outside the loop.
 463 static bool hasUsesOutsideLoop(Instruction *I, Loop *L) {
 464   for (User *U : I->users()) {
 465     if (!L->contains(cast<Instruction>(U)))
 466       return true;
 467   }
 468   return false;
 469 }
 470
 471 // Collect the list of loop induction variables with respect to which it might
 472 // be possible to reroll the loop.
 473 void LoopReroll::collectPossibleIVs(Loop *L,
 474                                     SmallInstructionVector &PossibleIVs) {
 475   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 476   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(),
 477        IE = Header->getFirstInsertionPt(); I != IE; ++I) {
 478     if (!isa<PHINode>(I))
 479       continue;
 480     if (!I->getType()->isIntegerTy())
 481       continue;
 482
 483     if (const SCEVAddRecExpr *PHISCEV =
 484         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(I))) {
 485       if (PHISCEV->getLoop() != L)
 486         continue;
 487       if (!PHISCEV->isAffine())
 488         continue;
 489       if (const SCEVConstant *IncSCEV =
 490           dyn_cast<SCEVConstant>(PHISCEV->getStepRecurrence(*SE))) {
 491         if (!IncSCEV->getValue()->getValue().isStrictlyPositive())
 492           continue;
 493         if (IncSCEV->getValue()->uge(MaxInc))
 494           continue;
 495
 496         DEBUG(dbgs() << "LRR: Possible IV: " << *I << " = " <<
 497               *PHISCEV << "\n");
 498         PossibleIVs.push_back(I);
 499       }
 500     }
 501   }
 502 }
 503
 504 // Add the remainder of the reduction-variable chain to the instruction vector
 505 // (the initial PHINode has already been added). If successful, the object is
 506 // marked as valid.
 507 void LoopReroll::SimpleLoopReduction::add(Loop *L) {
 508   assert(!Valid && "Cannot add to an already-valid chain");
 509
 510   // The reduction variable must be a chain of single-use instructions
 511   // (including the PHI), except for the last value (which is used by the PHI
 512   // and also outside the loop).
 513   Instruction *C = Instructions.front();
 514   if (C->user_empty())
 515     return;
 516
 517   do {
 518     C = cast<Instruction>(*C->user_begin());
 519     if (C->hasOneUse()) {
 520       if (!C->isBinaryOp())
 521         return;
 522
 523       if (!(isa<PHINode>(Instructions.back()) ||
 524             C->isSameOperationAs(Instructions.back())))
 525         return;
 526
 527       Instructions.push_back(C);
 528     }
 529   } while (C->hasOneUse());
 530
 531   if (Instructions.size() < 2 ||
 532       !C->isSameOperationAs(Instructions.back()) ||
 533       C->use_empty())
 534     return;
 535
 536   // C is now the (potential) last instruction in the reduction chain.
 537   for (User *U : C->users()) {
 538     // The only in-loop user can be the initial PHI.
 539     if (L->contains(cast<Instruction>(U)))
 540       if (cast<Instruction>(U) != Instructions.front())
 541         return;
 542   }
 543
 544   Instructions.push_back(C);
 545   Valid = true;
 546 }
 547
 548 // Collect the vector of possible reduction variables.
 549 void LoopReroll::collectPossibleReductions(Loop *L,
 550   ReductionTracker &Reductions) {
 551   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 552   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(),
 553        IE = Header->getFirstInsertionPt(); I != IE; ++I) {
 554     if (!isa<PHINode>(I))
 555       continue;
 556     if (!I->getType()->isSingleValueType())
 557       continue;
 558
 559     SimpleLoopReduction SLR(I, L);
 560     if (!SLR.valid())
 561       continue;
 562
 563     DEBUG(dbgs() << "LRR: Possible reduction: " << *I << " (with " <<
 564           SLR.size() << " chained instructions)\n");
 565     Reductions.addSLR(SLR);
 566   }
 567 }
 568
 569 // Collect the set of all users of the provided root instruction. This set of
 570 // users contains not only the direct users of the root instruction, but also
 571 // all users of those users, and so on. There are two exceptions:
 572 //
 573 //   1. Instructions in the set of excluded instructions are never added to the
 574 //   use set (even if they are users). This is used, for example, to exclude
 575 //   including root increments in the use set of the primary IV.
 576 //
 577 //   2. Instructions in the set of final instructions are added to the use set
 578 //   if they are users, but their users are not added. This is used, for
 579 //   example, to prevent a reduction update from forcing all later reduction
 580 //   updates into the use set.
 581 void LoopReroll::DAGRootTracker::collectInLoopUserSet(
 582   Instruction *Root, const SmallInstructionSet &Exclude,
 583   const SmallInstructionSet &Final,
 584   DenseSet<Instruction *> &Users) {
 585   SmallInstructionVector Queue(1, Root);
 586   while (!Queue.empty()) {
 587     Instruction *I = Queue.pop_back_val();
 588     if (!Users.insert(I).second)
 589       continue;
 590
 591     if (!Final.count(I))
 592       for (Use &U : I->uses()) {
 593         Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
 594         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
 595           // Ignore "wrap-around" uses to PHIs of this loop's header.
 596           if (PN->getIncomingBlock(U) == L->getHeader())
 597             continue;
 598         }
 599
 600         if (L->contains(User) && !Exclude.count(User)) {
 601           Queue.push_back(User);
 602         }
 603       }
 604
 605     // We also want to collect single-user "feeder" values.
 606     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(),
 607          OIE = I->op_end(); OI != OIE; ++OI) {
 608       if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(*OI))
 609         if (Op->hasOneUse() && L->contains(Op) && !Exclude.count(Op) &&
 610             !Final.count(Op))
 611           Queue.push_back(Op);
 612     }
 613   }
 614 }
 615
 616 // Collect all of the users of all of the provided root instructions (combined
 617 // into a single set).
 618 void LoopReroll::DAGRootTracker::collectInLoopUserSet(
 619   const SmallInstructionVector &Roots,
 620   const SmallInstructionSet &Exclude,
 621   const SmallInstructionSet &Final,
 622   DenseSet<Instruction *> &Users) {
 623   for (SmallInstructionVector::const_iterator I = Roots.begin(),
 624        IE = Roots.end(); I != IE; ++I)
 625     collectInLoopUserSet(*I, Exclude, Final, Users);
 626 }
 627
 628 static bool isSimpleLoadStore(Instruction *I) {
 629   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
 630     return LI->isSimple();
 631   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
 632     return SI->isSimple();
 633   if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(I))
 634     return !MI->isVolatile();
 635   return false;
 636 }
 637
 638 /// Return true if IVU is a "simple" arithmetic operation.
 639 /// This is used for narrowing the search space for DAGRoots; only arithmetic
 640 /// and GEPs can be part of a DAGRoot.
 641 static bool isSimpleArithmeticOp(User *IVU) {
 642   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(IVU)) {
 643     switch (I->getOpcode()) {
 644     default: return false;
 645     case Instruction::Add:
 646     case Instruction::Sub:
 647     case Instruction::Mul:
 648     case Instruction::Shl:
 649     case Instruction::AShr:
 650     case Instruction::LShr:
 651     case Instruction::GetElementPtr:
 652     case Instruction::Trunc:
 653     case Instruction::ZExt:
 654     case Instruction::SExt:
 655       return true;
 656     }
 657   }
 658   return false;
 659 }
 660
 661 static bool isLoopIncrement(User *U, Instruction *IV) {
 662   BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(U);
 663   if (!BO || BO->getOpcode() != Instruction::Add)
 664     return false;
 665
 666   for (auto *UU : BO->users()) {
 667     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UU);
 668     if (PN && PN == IV)
 669       return true;
 670   }
 671   return false;
 672 }
 673
 674 bool LoopReroll::DAGRootTracker::
 675 collectPossibleRoots(Instruction *Base, std::map<int64_t,Instruction*> &Roots) {
 676   SmallInstructionVector BaseUsers;
 677
 678   for (auto *I : Base->users()) {
 679     ConstantInt *CI = nullptr;
 680
 681     if (isLoopIncrement(I, IV)) {
 682       LoopIncs.push_back(cast<Instruction>(I));
 683       continue;
 684     }
 685
 686     // The root nodes must be either GEPs, ORs or ADDs.
 687     if (auto *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(I)) {
 688       if (BO->getOpcode() == Instruction::Add ||
 689           BO->getOpcode() == Instruction::Or)
 690         CI = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1));
 691     } else if (auto *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
 692       Value *LastOperand = GEP->getOperand(GEP->getNumOperands()-1);
 693       CI = dyn_cast<ConstantInt>(LastOperand);
 694     }
 695
 696     if (!CI) {
 697       if (Instruction *II = dyn_cast<Instruction>(I)) {
 698         BaseUsers.push_back(II);
 699         continue;
 700       } else {
 701         DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting due to non-instruction: " << *I << "\n");
 702         return false;
 703       }
 704     }
 705
 706     int64_t V = CI->getValue().getSExtValue();
 707     if (Roots.find(V) != Roots.end())
 708       // No duplicates, please.
 709       return false;
 710
 711     // FIXME: Add support for negative values.
 712     if (V < 0) {
 713       DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting due to negative value: " << V << "\n");
 714       return false;
 715     }
 716
 717     Roots[V] = cast<Instruction>(I);
 718   }
 719
 720   if (Roots.empty())
 721     return false;
 722
 723   assert(Roots.find(0) == Roots.end() && "Didn't expect a zero index!");
 724
 725   // If we found non-loop-inc, non-root users of Base, assume they are
 726   // for the zeroth root index. This is because "add %a, 0" gets optimized
 727   // away.
 728   if (BaseUsers.size())
 729     Roots[0] = Base;
 730
 731   // Calculate the number of users of the base, or lowest indexed, iteration.
 732   unsigned NumBaseUses = BaseUsers.size();
 733   if (NumBaseUses == 0)
 734     NumBaseUses = Roots.begin()->second->getNumUses();
 735
 736   // Check that every node has the same number of users.
 737   for (auto &KV : Roots) {
 738     if (KV.first == 0)
 739       continue;
 740     if (KV.second->getNumUses() != NumBaseUses) {
 741       DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - Root and Base #users not the same: "
 742             << "#Base=" << NumBaseUses << ", #Root=" <<
 743             KV.second->getNumUses() << "\n");
 744       return false;
 745     }
 746   }
 747
 748   return true;
 749 }
 750
 751 bool LoopReroll::DAGRootTracker::
 752 findRootsRecursive(Instruction *I, SmallInstructionSet SubsumedInsts) {
 753   // Does the user look like it could be part of a root set?
 754   // All its users must be simple arithmetic ops.
 755   if (I->getNumUses() > IL_MaxRerollIterations)
 756     return false;
 757
 758   if ((I->getOpcode() == Instruction::Mul ||
 759        I->getOpcode() == Instruction::PHI) &&
 760       I != IV &&
 761       findRootsBase(I, SubsumedInsts))
 762     return true;
 763
 764   SubsumedInsts.insert(I);
 765
 766   for (User *V : I->users()) {
 767     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
 768     if (std::find(LoopIncs.begin(), LoopIncs.end(), I) != LoopIncs.end())
 769       continue;
 770
 771     if (!I || !isSimpleArithmeticOp(I) ||
 772         !findRootsRecursive(I, SubsumedInsts))
 773       return false;
 774   }
 775   return true;
 776 }
 777
 778 bool LoopReroll::DAGRootTracker::
 779 findRootsBase(Instruction *IVU, SmallInstructionSet SubsumedInsts) {
 780
 781   // The base instruction needs to be a multiply so
 782   // that we can erase it.
 783   if (IVU->getOpcode() != Instruction::Mul &&
 784       IVU->getOpcode() != Instruction::PHI)
 785     return false;
 786
 787   std::map<int64_t, Instruction*> V;
 788   if (!collectPossibleRoots(IVU, V))
 789     return false;
 790
 791   // If we didn't get a root for index zero, then IVU must be
 792   // subsumed.
 793   if (V.find(0) == V.end())
 794     SubsumedInsts.insert(IVU);
 795
 796   // Partition the vector into monotonically increasing indexes.
 797   DAGRootSet DRS;
 798   DRS.BaseInst = nullptr;
 799
 800   for (auto &KV : V) {
 801     if (!DRS.BaseInst) {
 802       DRS.BaseInst = KV.second;
 803       DRS.SubsumedInsts = SubsumedInsts;
 804     } else if (DRS.Roots.empty()) {
 805       DRS.Roots.push_back(KV.second);
 806     } else if (V.find(KV.first - 1) != V.end()) {
 807       DRS.Roots.push_back(KV.second);
 808     } else {
 809       // Linear sequence terminated.
 810       RootSets.push_back(DRS);
 811       DRS.BaseInst = KV.second;
 812       DRS.SubsumedInsts = SubsumedInsts;
 813       DRS.Roots.clear();
 814     }
 815   }
 816   RootSets.push_back(DRS);
 817
 818   return true;
 819 }
 820
 821 bool LoopReroll::DAGRootTracker::findRoots() {
 822
 823   const SCEVAddRecExpr *RealIVSCEV = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IV));
 824   Inc = cast<SCEVConstant>(RealIVSCEV->getOperand(1))->
 825     getValue()->getZExtValue();
 826
 827   assert(RootSets.empty() && "Unclean state!");
 828   if (Inc == 1) {
 829     for (auto *IVU : IV->users()) {
 830       if (isLoopIncrement(IVU, IV))
 831         LoopIncs.push_back(cast<Instruction>(IVU));
 832     }
 833     if (!findRootsRecursive(IV, SmallInstructionSet()))
 834       return false;
 835     LoopIncs.push_back(IV);
 836   } else {
 837     if (!findRootsBase(IV, SmallInstructionSet()))
 838       return false;
 839   }
 840
 841   // Ensure all sets have the same size.
 842   if (RootSets.empty()) {
 843     DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting because no root sets found!\n");
 844     return false;
 845   }
 846   for (auto &V : RootSets) {
 847     if (V.Roots.empty() || V.Roots.size() != RootSets[0].Roots.size()) {
 848       DEBUG(dbgs()
 849             << "LRR: Aborting because not all root sets have the same size\n");
 850       return false;
 851     }
 852   }
 853
 854   // And ensure all loop iterations are consecutive. We rely on std::map
 855   // providing ordered traversal.
 856   for (auto &V : RootSets) {
 857     const auto *ADR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(V.BaseInst));
 858     if (!ADR)
 859       return false;
 860
 861     // Consider a DAGRootSet with N-1 roots (so N different values including
 862     //   BaseInst).
 863     // Define d = Roots[0] - BaseInst, which should be the same as
 864     //   Roots[I] - Roots[I-1] for all I in [1..N).
 865     // Define D = BaseInst@J - BaseInst@J-1, where "@J" means the value at the
 866     //   loop iteration J.
 867     //
 868     // Now, For the loop iterations to be consecutive:
 869     //   D = d * N
 870
 871     unsigned N = V.Roots.size() + 1;
 872     const SCEV *StepSCEV = SE->getMinusSCEV(SE->getSCEV(V.Roots[0]), ADR);
 873     const SCEV *ScaleSCEV = SE->getConstant(StepSCEV->getType(), N);
 874     if (ADR->getStepRecurrence(*SE) != SE->getMulExpr(StepSCEV, ScaleSCEV)) {
 875       DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting because iterations are not consecutive\n");
 876       return false;
 877     }
 878   }
 879   Scale = RootSets[0].Roots.size() + 1;
 880
 881   if (Scale > IL_MaxRerollIterations) {
 882     DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - too many iterations found. "
 883           << "#Found=" << Scale << ", #Max=" << IL_MaxRerollIterations
 884           << "\n");
 885     return false;
 886   }
 887
 888   DEBUG(dbgs() << "LRR: Successfully found roots: Scale=" << Scale << "\n");
 889
 890   return true;
 891 }
 892
 893 bool LoopReroll::DAGRootTracker::collectUsedInstructions(SmallInstructionSet &PossibleRedSet) {
 894   // Populate the MapVector with all instructions in the block, in order first,
 895   // so we can iterate over the contents later in perfect order.
 896   for (auto &I : *L->getHeader()) {
 897     Uses[&I].resize(IL_End);
 898   }
 899
 900   SmallInstructionSet Exclude;
 901   for (auto &DRS : RootSets) {
 902     Exclude.insert(DRS.Roots.begin(), DRS.Roots.end());
 903     Exclude.insert(DRS.SubsumedInsts.begin(), DRS.SubsumedInsts.end());
 904     Exclude.insert(DRS.BaseInst);
 905   }
 906   Exclude.insert(LoopIncs.begin(), LoopIncs.end());
 907
 908   for (auto &DRS : RootSets) {
 909     DenseSet<Instruction*> VBase;
 910     collectInLoopUserSet(DRS.BaseInst, Exclude, PossibleRedSet, VBase);
 911     for (auto *I : VBase) {
 912       Uses[I].set(0);
 913     }
 914
 915     unsigned Idx = 1;
 916     for (auto *Root : DRS.Roots) {
 917       DenseSet<Instruction*> V;
 918       collectInLoopUserSet(Root, Exclude, PossibleRedSet, V);
 919
 920       // While we're here, check the use sets are the same size.
 921       if (V.size() != VBase.size()) {
 922         DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - use sets are different sizes\n");
 923         return false;
 924       }
 925
 926       for (auto *I : V) {
 927         Uses[I].set(Idx);
 928       }
 929       ++Idx;
 930     }
 931
 932     // Make sure our subsumed instructions are remembered too.
 933     for (auto *I : DRS.SubsumedInsts) {
 934       Uses[I].set(IL_All);
 935     }
 936   }
 937
 938   // Make sure the loop increments are also accounted for.
 939
 940   Exclude.clear();
 941   for (auto &DRS : RootSets) {
 942     Exclude.insert(DRS.Roots.begin(), DRS.Roots.end());
 943     Exclude.insert(DRS.SubsumedInsts.begin(), DRS.SubsumedInsts.end());
 944     Exclude.insert(DRS.BaseInst);
 945   }
 946
 947   DenseSet<Instruction*> V;
 948   collectInLoopUserSet(LoopIncs, Exclude, PossibleRedSet, V);
 949   for (auto *I : V) {
 950     Uses[I].set(IL_All);
 951   }
 952
 953   return true;
 954
 955 }
 956
 957 /// Get the next instruction in "In" that is a member of set Val.
 958 /// Start searching from StartI, and do not return anything in Exclude.
 959 /// If StartI is not given, start from In.begin().
 960 LoopReroll::DAGRootTracker::UsesTy::iterator
 961 LoopReroll::DAGRootTracker::nextInstr(int Val, UsesTy &In,
 962                                       const SmallInstructionSet &Exclude,
 963                                       UsesTy::iterator *StartI) {
 964   UsesTy::iterator I = StartI ? *StartI : In.begin();
 965   while (I != In.end() && (I->second.test(Val) == 0 ||
 966                            Exclude.count(I->first) != 0))
 967     ++I;
 968   return I;
 969 }
 970
 971 bool LoopReroll::DAGRootTracker::isBaseInst(Instruction *I) {
 972   for (auto &DRS : RootSets) {
 973     if (DRS.BaseInst == I)
 974       return true;
 975   }
 976   return false;
 977 }
 978
 979 bool LoopReroll::DAGRootTracker::isRootInst(Instruction *I) {
 980   for (auto &DRS : RootSets) {
 981     if (std::find(DRS.Roots.begin(), DRS.Roots.end(), I) != DRS.Roots.end())
 982       return true;
 983   }
 984   return false;
 985 }
 986
 987 /// Return true if instruction I depends on any instruction between
 988 /// Start and End.
 989 bool LoopReroll::DAGRootTracker::instrDependsOn(Instruction *I,
 990                                                 UsesTy::iterator Start,
 991                                                 UsesTy::iterator End) {
 992   for (auto *U : I->users()) {
 993     for (auto It = Start; It != End; ++It)
 994       if (U == It->first)
 995         return true;
 996   }
 997   return false;
 998 }
 999
1000 bool LoopReroll::DAGRootTracker::validate(ReductionTracker &Reductions) {
1001   // We now need to check for equivalence of the use graph of each root with
1002   // that of the primary induction variable (excluding the roots). Our goal
1003   // here is not to solve the full graph isomorphism problem, but rather to
1004   // catch common cases without a lot of work. As a result, we will assume
1005   // that the relative order of the instructions in each unrolled iteration
1006   // is the same (although we will not make an assumption about how the
1007   // different iterations are intermixed). Note that while the order must be
1008   // the same, the instructions may not be in the same basic block.
1009
1010   // An array of just the possible reductions for this scale factor. When we
1011   // collect the set of all users of some root instructions, these reduction
1012   // instructions are treated as 'final' (their uses are not considered).
1013   // This is important because we don't want the root use set to search down
1014   // the reduction chain.
1015   SmallInstructionSet PossibleRedSet;
1016   SmallInstructionSet PossibleRedLastSet;
1017   SmallInstructionSet PossibleRedPHISet;
1018   Reductions.restrictToScale(Scale, PossibleRedSet,
1019                              PossibleRedPHISet, PossibleRedLastSet);
1020
1021   // Populate "Uses" with where each instruction is used.
1022   if (!collectUsedInstructions(PossibleRedSet))
1023     return false;
1024
1025   // Make sure we mark the reduction PHIs as used in all iterations.
1026   for (auto *I : PossibleRedPHISet) {
1027     Uses[I].set(IL_All);
1028   }
1029
1030   // Make sure all instructions in the loop are in one and only one
1031   // set.
1032   for (auto &KV : Uses) {
1033     if (KV.second.count() != 1) {
1034       DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - instruction is not used in 1 iteration: "
1035             << *KV.first << " (#uses=" << KV.second.count() << ")\n");
1036       return false;
1037     }
1038   }
1039
1040   DEBUG(
1041     for (auto &KV : Uses) {
1042       dbgs() << "LRR: " << KV.second.find_first() << "\t" << *KV.first << "\n";
1043     }
1044     );
1045
1046   for (unsigned Iter = 1; Iter < Scale; ++Iter) {
1047     // In addition to regular aliasing information, we need to look for
1048     // instructions from later (future) iterations that have side effects
1049     // preventing us from reordering them past other instructions with side
1050     // effects.
1051     bool FutureSideEffects = false;
1052     AliasSetTracker AST(*AA);
1053     // The map between instructions in f(%iv.(i+1)) and f(%iv).
1054     DenseMap<Value *, Value *> BaseMap;
1055
1056     // Compare iteration Iter to the base.
1057     SmallInstructionSet Visited;
1058     auto BaseIt = nextInstr(0, Uses, Visited);
1059     auto RootIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited);
1060     auto LastRootIt = Uses.begin();
1061
1062     while (BaseIt != Uses.end() && RootIt != Uses.end()) {
1063       Instruction *BaseInst = BaseIt->first;
1064       Instruction *RootInst = RootIt->first;
1065
1066       // Skip over the IV or root instructions; only match their users.
1067       bool Continue = false;
1068       if (isBaseInst(BaseInst)) {
1069         Visited.insert(BaseInst);
1070         BaseIt = nextInstr(0, Uses, Visited);
1071         Continue = true;
1072       }
1073       if (isRootInst(RootInst)) {
1074         LastRootIt = RootIt;
1075         Visited.insert(RootInst);
1076         RootIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited);
1077         Continue = true;
1078       }
1079       if (Continue) continue;
1080
1081       if (!BaseInst->isSameOperationAs(RootInst)) {
1082         // Last chance saloon. We don't try and solve the full isomorphism
1083         // problem, but try and at least catch the case where two instructions
1084         // *of different types* are round the wrong way. We won't be able to
1085         // efficiently tell, given two ADD instructions, which way around we
1086         // should match them, but given an ADD and a SUB, we can at least infer
1087         // which one is which.
1088         //
1089         // This should allow us to deal with a greater subset of the isomorphism
1090         // problem. It does however change a linear algorithm into a quadratic
1091         // one, so limit the number of probes we do.
1092         auto TryIt = RootIt;
1093         unsigned N = NumToleratedFailedMatches;
1094         while (TryIt != Uses.end() &&
1095                !BaseInst->isSameOperationAs(TryIt->first) &&
1096                N--) {
1097           ++TryIt;
1098           TryIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited, &TryIt);
1099         }
1100
1101         if (TryIt == Uses.end() || TryIt == RootIt ||
1102             instrDependsOn(TryIt->first, RootIt, TryIt)) {
1103           DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1104                 " vs. " << *RootInst << "\n");
1105           return false;
1106         }
1107
1108         RootIt = TryIt;
1109         RootInst = TryIt->first;
1110       }
1111
1112       // All instructions between the last root and this root
1113       // may belong to some other iteration. If they belong to a
1114       // future iteration, then they're dangerous to alias with.
1115       //
1116       // Note that because we allow a limited amount of flexibility in the order
1117       // that we visit nodes, LastRootIt might be *before* RootIt, in which
1118       // case we've already checked this set of instructions so we shouldn't
1119       // do anything.
1120       for (; LastRootIt < RootIt; ++LastRootIt) {
1121         Instruction *I = LastRootIt->first;
1122         if (LastRootIt->second.find_first() < (int)Iter)
1123           continue;
1124         if (I->mayWriteToMemory())
1125           AST.add(I);
1126         // Note: This is specifically guarded by a check on isa<PHINode>,
1127         // which while a valid (somewhat arbitrary) micro-optimization, is
1128         // needed because otherwise isSafeToSpeculativelyExecute returns
1129         // false on PHI nodes.
1130         if (!isa<PHINode>(I) && !isSimpleLoadStore(I) &&
1131             !isSafeToSpeculativelyExecute(I, DL))
1132           // Intervening instructions cause side effects.
1133           FutureSideEffects = true;
1134       }
1135
1136       // Make sure that this instruction, which is in the use set of this
1137       // root instruction, does not also belong to the base set or the set of
1138       // some other root instruction.
1139       if (RootIt->second.count() > 1) {
1140         DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1141                         " vs. " << *RootInst << " (prev. case overlap)\n");
1142         return false;
1143       }
1144
1145       // Make sure that we don't alias with any instruction in the alias set
1146       // tracker. If we do, then we depend on a future iteration, and we
1147       // can't reroll.
1148       if (RootInst->mayReadFromMemory())
1149         for (auto &K : AST) {
1150           if (K.aliasesUnknownInst(RootInst, *AA)) {
1151             DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1152                             " vs. " << *RootInst << " (depends on future store)\n");
1153             return false;
1154           }
1155         }
1156
1157       // If we've past an instruction from a future iteration that may have
1158       // side effects, and this instruction might also, then we can't reorder
1159       // them, and this matching fails. As an exception, we allow the alias
1160       // set tracker to handle regular (simple) load/store dependencies.
1161       if (FutureSideEffects &&
1162             ((!isSimpleLoadStore(BaseInst) &&
1163               !isSafeToSpeculativelyExecute(BaseInst, DL)) ||
1164              (!isSimpleLoadStore(RootInst) &&
1165               !isSafeToSpeculativelyExecute(RootInst, DL)))) {
1166         DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1167                         " vs. " << *RootInst <<
1168                         " (side effects prevent reordering)\n");
1169         return false;
1170       }
1171
1172       // For instructions that are part of a reduction, if the operation is
1173       // associative, then don't bother matching the operands (because we
1174       // already know that the instructions are isomorphic, and the order
1175       // within the iteration does not matter). For non-associative reductions,
1176       // we do need to match the operands, because we need to reject
1177       // out-of-order instructions within an iteration!
1178       // For example (assume floating-point addition), we need to reject this:
1179       //   x += a[i]; x += b[i];
1180       //   x += a[i+1]; x += b[i+1];
1181       //   x += b[i+2]; x += a[i+2];
1182       bool InReduction = Reductions.isPairInSame(BaseInst, RootInst);
1183
1184       if (!(InReduction && BaseInst->isAssociative())) {
1185         bool Swapped = false, SomeOpMatched = false;
1186         for (unsigned j = 0; j < BaseInst->getNumOperands(); ++j) {
1187           Value *Op2 = RootInst->getOperand(j);
1188
1189           // If this is part of a reduction (and the operation is not
1190           // associatve), then we match all operands, but not those that are
1191           // part of the reduction.
1192           if (InReduction)
1193             if (Instruction *Op2I = dyn_cast<Instruction>(Op2))
1194               if (Reductions.isPairInSame(RootInst, Op2I))
1195                 continue;
1196
1197           DenseMap<Value *, Value *>::iterator BMI = BaseMap.find(Op2);
1198           if (BMI != BaseMap.end()) {
1199             Op2 = BMI->second;
1200           } else {
1201             for (auto &DRS : RootSets) {
1202               if (DRS.Roots[Iter-1] == (Instruction*) Op2) {
1203                 Op2 = DRS.BaseInst;
1204                 break;
1205               }
1206             }
1207           }
1208
1209           if (BaseInst->getOperand(Swapped ? unsigned(!j) : j) != Op2) {
1210             // If we've not already decided to swap the matched operands, and
1211             // we've not already matched our first operand (note that we could
1212             // have skipped matching the first operand because it is part of a
1213             // reduction above), and the instruction is commutative, then try
1214             // the swapped match.
1215             if (!Swapped && BaseInst->isCommutative() && !SomeOpMatched &&
1216                 BaseInst->getOperand(!j) == Op2) {
1217               Swapped = true;
1218             } else {
1219               DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst
1220                     << " vs. " << *RootInst << " (operand " << j << ")\n");
1221               return false;
1222             }
1223           }
1224
1225           SomeOpMatched = true;
1226         }
1227       }
1228
1229       if ((!PossibleRedLastSet.count(BaseInst) &&
1230            hasUsesOutsideLoop(BaseInst, L)) ||
1231           (!PossibleRedLastSet.count(RootInst) &&
1232            hasUsesOutsideLoop(RootInst, L))) {
1233         DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1234                         " vs. " << *RootInst << " (uses outside loop)\n");
1235         return false;
1236       }
1237
1238       Reductions.recordPair(BaseInst, RootInst, Iter);
1239       BaseMap.insert(std::make_pair(RootInst, BaseInst));
1240
1241       LastRootIt = RootIt;
1242       Visited.insert(BaseInst);
1243       Visited.insert(RootInst);
1244       BaseIt = nextInstr(0, Uses, Visited);
1245       RootIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited);
1246     }
1247     assert (BaseIt == Uses.end() && RootIt == Uses.end() &&
1248             "Mismatched set sizes!");
1249   }
1250
1251   DEBUG(dbgs() << "LRR: Matched all iteration increments for " <<
1252                   *IV << "\n");
1253
1254   return true;
1255 }
1256
1257 void LoopReroll::DAGRootTracker::replace(const SCEV *IterCount) {
1258   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1259   // Remove instructions associated with non-base iterations.
1260   for (BasicBlock::reverse_iterator J = Header->rbegin();
1261        J != Header->rend();) {
1262     unsigned I = Uses[&*J].find_first();
1263     if (I > 0 && I < IL_All) {
1264       Instruction *D = &*J;
1265       DEBUG(dbgs() << "LRR: removing: " << *D << "\n");
1266       D->eraseFromParent();
1267       continue;
1268     }
1269
1270     ++J;
1271   }
1272
1273   // We need to create a new induction variable for each different BaseInst.
1274   for (auto &DRS : RootSets) {
1275     // Insert the new induction variable.
1276     const SCEVAddRecExpr *RealIVSCEV =
1277       cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(DRS.BaseInst));
1278     const SCEV *Start = RealIVSCEV->getStart();
1279     const SCEVAddRecExpr *H = cast<SCEVAddRecExpr>
1280       (SE->getAddRecExpr(Start,
1281                          SE->getConstant(RealIVSCEV->getType(), 1),
1282                          L, SCEV::FlagAnyWrap));
1283     { // Limit the lifetime of SCEVExpander.
1284       SCEVExpander Expander(*SE, "reroll");
1285       Value *NewIV = Expander.expandCodeFor(H, IV->getType(), Header->begin());
1286
1287       for (auto &KV : Uses) {
1288         if (KV.second.find_first() == 0)
1289           KV.first->replaceUsesOfWith(DRS.BaseInst, NewIV);
1290       }
1291
1292       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Header->getTerminator())) {
1293         // FIXME: Why do we need this check?
1294         if (Uses[BI].find_first() == IL_All) {
1295           const SCEV *ICSCEV = RealIVSCEV->evaluateAtIteration(IterCount, *SE);
1296
1297           // Iteration count SCEV minus 1
1298           const SCEV *ICMinus1SCEV =
1299             SE->getMinusSCEV(ICSCEV, SE->getConstant(ICSCEV->getType(), 1));
1300
1301           Value *ICMinus1; // Iteration count minus 1
1302           if (isa<SCEVConstant>(ICMinus1SCEV)) {
1303             ICMinus1 = Expander.expandCodeFor(ICMinus1SCEV, NewIV->getType(), BI);
1304           } else {
1305             BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1306             if (!Preheader)
1307               Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, Parent);
1308
1309             ICMinus1 = Expander.expandCodeFor(ICMinus1SCEV, NewIV->getType(),
1310                                               Preheader->getTerminator());
1311           }
1312
1313           Value *Cond =
1314             new ICmpInst(BI, CmpInst::ICMP_EQ, NewIV, ICMinus1, "exitcond");
1315           BI->setCondition(Cond);
1316
1317           if (BI->getSuccessor(1) != Header)
1318             BI->swapSuccessors();
1319         }
1320       }
1321     }
1322   }
1323
1324   SimplifyInstructionsInBlock(Header, DL, TLI);
1325   DeleteDeadPHIs(Header, TLI);
1326 }
1327
1328 // Validate the selected reductions. All iterations must have an isomorphic
1329 // part of the reduction chain and, for non-associative reductions, the chain
1330 // entries must appear in order.
1331 bool LoopReroll::ReductionTracker::validateSelected() {
1332   // For a non-associative reduction, the chain entries must appear in order.
1333   for (DenseSet<int>::iterator RI = Reds.begin(), RIE = Reds.end();
1334        RI != RIE; ++RI) {
1335     int i = *RI;
1336     int PrevIter = 0, BaseCount = 0, Count = 0;
1337     for (Instruction *J : PossibleReds[i]) {
1338       // Note that all instructions in the chain must have been found because
1339       // all instructions in the function must have been assigned to some
1340       // iteration.
1341       int Iter = PossibleRedIter[J];
1342       if (Iter != PrevIter && Iter != PrevIter + 1 &&
1343           !PossibleReds[i].getReducedValue()->isAssociative()) {
1344         DEBUG(dbgs() << "LRR: Out-of-order non-associative reduction: " <<
1345                         J << "\n");
1346         return false;
1347       }
1348
1349       if (Iter != PrevIter) {
1350         if (Count != BaseCount) {
1351           DEBUG(dbgs() << "LRR: Iteration " << PrevIter <<
1352                 " reduction use count " << Count <<
1353                 " is not equal to the base use count " <<
1354                 BaseCount << "\n");
1355           return false;
1356         }
1357
1358         Count = 0;
1359       }
1360
1361       ++Count;
1362       if (Iter == 0)
1363         ++BaseCount;
1364
1365       PrevIter = Iter;
1366     }
1367   }
1368
1369   return true;
1370 }
1371
1372 // For all selected reductions, remove all parts except those in the first
1373 // iteration (and the PHI). Replace outside uses of the reduced value with uses
1374 // of the first-iteration reduced value (in other words, reroll the selected
1375 // reductions).
1376 void LoopReroll::ReductionTracker::replaceSelected() {
1377   // Fixup reductions to refer to the last instruction associated with the
1378   // first iteration (not the last).
1379   for (DenseSet<int>::iterator RI = Reds.begin(), RIE = Reds.end();
1380        RI != RIE; ++RI) {
1381     int i = *RI;
1382     int j = 0;
1383     for (int e = PossibleReds[i].size(); j != e; ++j)
1384       if (PossibleRedIter[PossibleReds[i][j]] != 0) {
1385         --j;
1386         break;
1387       }
1388
1389     // Replace users with the new end-of-chain value.
1390     SmallInstructionVector Users;
1391     for (User *U : PossibleReds[i].getReducedValue()->users()) {
1392       Users.push_back(cast<Instruction>(U));
1393     }
1394
1395     for (SmallInstructionVector::iterator J = Users.begin(),
1396          JE = Users.end(); J != JE; ++J)
1397       (*J)->replaceUsesOfWith(PossibleReds[i].getReducedValue(),
1398                               PossibleReds[i][j]);
1399   }
1400 }
1401
1402 // Reroll the provided loop with respect to the provided induction variable.
1403 // Generally, we're looking for a loop like this:
1404 //
1405 // %iv = phi [ (preheader, ...), (body, %iv.next) ]
1406 // f(%iv)
1407 // %iv.1 = add %iv, 1                <-- a root increment
1408 // f(%iv.1)
1409 // %iv.2 = add %iv, 2                <-- a root increment
1410 // f(%iv.2)
1411 // %iv.scale_m_1 = add %iv, scale-1  <-- a root increment
1412 // f(%iv.scale_m_1)
1413 // ...
1414 // %iv.next = add %iv, scale
1415 // %cmp = icmp(%iv, ...)
1416 // br %cmp, header, exit
1417 //
1418 // Notably, we do not require that f(%iv), f(%iv.1), etc. be isolated groups of
1419 // instructions. In other words, the instructions in f(%iv), f(%iv.1), etc. can
1420 // be intermixed with eachother. The restriction imposed by this algorithm is
1421 // that the relative order of the isomorphic instructions in f(%iv), f(%iv.1),
1422 // etc. be the same.
1423 //
1424 // First, we collect the use set of %iv, excluding the other increment roots.
1425 // This gives us f(%iv). Then we iterate over the loop instructions (scale-1)
1426 // times, having collected the use set of f(%iv.(i+1)), during which we:
1427 //   - Ensure that the next unmatched instruction in f(%iv) is isomorphic to
1428 //     the next unmatched instruction in f(%iv.(i+1)).
1429 //   - Ensure that both matched instructions don't have any external users
1430 //     (with the exception of last-in-chain reduction instructions).
1431 //   - Track the (aliasing) write set, and other side effects, of all
1432 //     instructions that belong to future iterations that come before the matched
1433 //     instructions. If the matched instructions read from that write set, then
1434 //     f(%iv) or f(%iv.(i+1)) has some dependency on instructions in
1435 //     f(%iv.(j+1)) for some j > i, and we cannot reroll the loop. Similarly,
1436 //     if any of these future instructions had side effects (could not be
1437 //     speculatively executed), and so do the matched instructions, when we
1438 //     cannot reorder those side-effect-producing instructions, and rerolling
1439 //     fails.
1440 //
1441 // Finally, we make sure that all loop instructions are either loop increment
1442 // roots, belong to simple latch code, parts of validated reductions, part of
1443 // f(%iv) or part of some f(%iv.i). If all of that is true (and all reductions
1444 // have been validated), then we reroll the loop.
1445 bool LoopReroll::reroll(Instruction *IV, Loop *L, BasicBlock *Header,
1446                         const SCEV *IterCount,
1447                         ReductionTracker &Reductions) {
1448   DAGRootTracker DAGRoots(this, L, IV, SE, AA, TLI, DL);
1449
1450   if (!DAGRoots.findRoots())
1451     return false;
1452   DEBUG(dbgs() << "LRR: Found all root induction increments for: " <<
1453                   *IV << "\n");
1454
1455   if (!DAGRoots.validate(Reductions))
1456     return false;
1457   if (!Reductions.validateSelected())
1458     return false;
1459   // At this point, we've validated the rerolling, and we're committed to
1460   // making changes!
1461
1462   Reductions.replaceSelected();
1463   DAGRoots.replace(IterCount);
1464
1465   ++NumRerolledLoops;
1466   return true;
1467 }
1468
1469 bool LoopReroll::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1470   if (skipOptnoneFunction(L))
1471     return false;
1472
1473   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
1474   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1475   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1476   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
1477   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
1478   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
1479   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1480
1481   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1482   DEBUG(dbgs() << "LRR: F[" << Header->getParent()->getName() <<
1483         "] Loop %" << Header->getName() << " (" <<
1484         L->getNumBlocks() << " block(s))\n");
1485
1486   bool Changed = false;
1487
1488   // For now, we'll handle only single BB loops.
1489   if (L->getNumBlocks() > 1)
1490     return Changed;
1491
1492   if (!SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L))
1493     return Changed;
1494
1495   const SCEV *LIBETC = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1496   const SCEV *IterCount =
1497     SE->getAddExpr(LIBETC, SE->getConstant(LIBETC->getType(), 1));
1498   DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration count = " << *IterCount << "\n");
1499
1500   // First, we need to find the induction variable with respect to which we can
1501   // reroll (there may be several possible options).
1502   SmallInstructionVector PossibleIVs;
1503   collectPossibleIVs(L, PossibleIVs);
1504
1505   if (PossibleIVs.empty()) {
1506     DEBUG(dbgs() << "LRR: No possible IVs found\n");
1507     return Changed;
1508   }
1509
1510   ReductionTracker Reductions;
1511   collectPossibleReductions(L, Reductions);
1512
1513   // For each possible IV, collect the associated possible set of 'root' nodes
1514   // (i+1, i+2, etc.).
1515   for (SmallInstructionVector::iterator I = PossibleIVs.begin(),
1516        IE = PossibleIVs.end(); I != IE; ++I)
1517     if (reroll(*I, L, Header, IterCount, Reductions)) {
1518       Changed = true;
1519       break;
1520     }
1521
1522   return Changed;
1523 }