6f34c9cb8cfdecf861280d0a63a92ade10e48e63
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopStrengthReduce.cpp
1 //===- LoopStrengthReduce.cpp - Strength Reduce IVs in Loops --------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into forms suitable for efficient execution
12 // on the target.
13 //
14 // This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
15 // have as one or more of their components the loop induction variable, it
16 // rewrites expressions to take advantage of scaled-index addressing modes
17 // available on the target, and it performs a variety of other optimizations
18 // related to loop induction variables.
19 //
20 // Terminology note: this code has a lot of handling for "post-increment" or
21 // "post-inc" users. This is not talking about post-increment addressing modes;
22 // it is instead talking about code like this:
23 //
24 //   %i = phi [ 0, %entry ], [ %i.next, %latch ]
25 //   ...
26 //   %i.next = add %i, 1
27 //   %c = icmp eq %i.next, %n
28 //
29 // The SCEV for %i is {0,+,1}<%L>. The SCEV for %i.next is {1,+,1}<%L>, however
30 // it's useful to think about these as the same register, with some uses using
31 // the value of the register before the add and some using it after. In this
32 // example, the icmp is a post-increment user, since it uses %i.next, which is
33 // the value of the induction variable after the increment. The other common
34 // case of post-increment users is users outside the loop.
35 //
36 // TODO: More sophistication in the way Formulae are generated and filtered.
37 //
38 // TODO: Handle multiple loops at a time.
39 //
40 // TODO: Should the addressing mode BaseGV be changed to a ConstantExpr instead
41 //       of a GlobalValue?
42 //
43 // TODO: When truncation is free, truncate ICmp users' operands to make it a
44 //       smaller encoding (on x86 at least).
45 //
46 // TODO: When a negated register is used by an add (such as in a list of
47 //       multiple base registers, or as the increment expression in an addrec),
48 //       we may not actually need both reg and (-1 * reg) in registers; the
49 //       negation can be implemented by using a sub instead of an add. The
50 //       lack of support for taking this into consideration when making
51 //       register pressure decisions is partly worked around by the "Special"
52 //       use kind.
53 //
54 //===----------------------------------------------------------------------===//
55
56 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
57 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
58 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
59 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
60 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
61 #include "llvm/ADT/SmallBitVector.h"
62 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
63 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
64 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
65 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
66 #include "llvm/IR/Constants.h"
67 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
68 #include "llvm/IR/Dominators.h"
69 #include "llvm/IR/Instructions.h"
70 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
71 #include "llvm/IR/Module.h"
72 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
73 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
74 #include "llvm/Support/Debug.h"
75 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
76 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
77 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
78 #include <algorithm>
79 using namespace llvm;
80
81 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
82
83 /// MaxIVUsers is an arbitrary threshold that provides an early opportunitiy for
84 /// bail out. This threshold is far beyond the number of users that LSR can
85 /// conceivably solve, so it should not affect generated code, but catches the
86 /// worst cases before LSR burns too much compile time and stack space.
87 static const unsigned MaxIVUsers = 200;
88
89 // Temporary flag to cleanup congruent phis after LSR phi expansion.
90 // It's currently disabled until we can determine whether it's truly useful or
91 // not. The flag should be removed after the v3.0 release.
92 // This is now needed for ivchains.
93 static cl::opt<bool> EnablePhiElim(
94   "enable-lsr-phielim", cl::Hidden, cl::init(true),
95   cl::desc("Enable LSR phi elimination"));
96
97 #ifndef NDEBUG
98 // Stress test IV chain generation.
99 static cl::opt<bool> StressIVChain(
100   "stress-ivchain", cl::Hidden, cl::init(false),
101   cl::desc("Stress test LSR IV chains"));
102 #else
103 static bool StressIVChain = false;
104 #endif
105
106 namespace {
107
108 struct MemAccessTy {
109   /// Used in situations where the accessed memory type is unknown.
110   static const unsigned UnknownAddressSpace = ~0u;
111
112   Type *MemTy;
113   unsigned AddrSpace;
114
115   MemAccessTy() : MemTy(nullptr), AddrSpace(UnknownAddressSpace) {}
116
117   MemAccessTy(Type *Ty, unsigned AS) :
118     MemTy(Ty), AddrSpace(AS) {}
119
120   bool operator==(MemAccessTy Other) const {
121     return MemTy == Other.MemTy && AddrSpace == Other.AddrSpace;
122   }
123
124   bool operator!=(MemAccessTy Other) const { return !(*this == Other); }
125
126   static MemAccessTy getUnknown(LLVMContext &Ctx) {
127     return MemAccessTy(Type::getVoidTy(Ctx), UnknownAddressSpace);
128   }
129 };
130
131 /// This class holds data which is used to order reuse candidates.
132 class RegSortData {
133 public:
134   /// This represents the set of LSRUse indices which reference
135   /// a particular register.
136   SmallBitVector UsedByIndices;
137
138   void print(raw_ostream &OS) const;
139   void dump() const;
140 };
141
142 }
143
144 void RegSortData::print(raw_ostream &OS) const {
145   OS << "[NumUses=" << UsedByIndices.count() << ']';
146 }
147
148 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
149 void RegSortData::dump() const {
150   print(errs()); errs() << '\n';
151 }
152 #endif
153
154 namespace {
155
156 /// Map register candidates to information about how they are used.
157 class RegUseTracker {
158   typedef DenseMap<const SCEV *, RegSortData> RegUsesTy;
159
160   RegUsesTy RegUsesMap;
161   SmallVector<const SCEV *, 16> RegSequence;
162
163 public:
164   void countRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
165   void dropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
166   void swapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx);
167
168   bool isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const;
169
170   const SmallBitVector &getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const;
171
172   void clear();
173
174   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator iterator;
175   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator const_iterator;
176   iterator begin() { return RegSequence.begin(); }
177   iterator end()   { return RegSequence.end(); }
178   const_iterator begin() const { return RegSequence.begin(); }
179   const_iterator end() const   { return RegSequence.end(); }
180 };
181
182 }
183
184 void
185 RegUseTracker::countRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
186   std::pair<RegUsesTy::iterator, bool> Pair =
187     RegUsesMap.insert(std::make_pair(Reg, RegSortData()));
188   RegSortData &RSD = Pair.first->second;
189   if (Pair.second)
190     RegSequence.push_back(Reg);
191   RSD.UsedByIndices.resize(std::max(RSD.UsedByIndices.size(), LUIdx + 1));
192   RSD.UsedByIndices.set(LUIdx);
193 }
194
195 void
196 RegUseTracker::dropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
197   RegUsesTy::iterator It = RegUsesMap.find(Reg);
198   assert(It != RegUsesMap.end());
199   RegSortData &RSD = It->second;
200   assert(RSD.UsedByIndices.size() > LUIdx);
201   RSD.UsedByIndices.reset(LUIdx);
202 }
203
204 void
205 RegUseTracker::swapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx) {
206   assert(LUIdx <= LastLUIdx);
207
208   // Update RegUses. The data structure is not optimized for this purpose;
209   // we must iterate through it and update each of the bit vectors.
210   for (auto &Pair : RegUsesMap) {
211     SmallBitVector &UsedByIndices = Pair.second.UsedByIndices;
212     if (LUIdx < UsedByIndices.size())
213       UsedByIndices[LUIdx] =
214         LastLUIdx < UsedByIndices.size() ? UsedByIndices[LastLUIdx] : 0;
215     UsedByIndices.resize(std::min(UsedByIndices.size(), LastLUIdx));
216   }
217 }
218
219 bool
220 RegUseTracker::isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const {
221   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
222   if (I == RegUsesMap.end())
223     return false;
224   const SmallBitVector &UsedByIndices = I->second.UsedByIndices;
225   int i = UsedByIndices.find_first();
226   if (i == -1) return false;
227   if ((size_t)i != LUIdx) return true;
228   return UsedByIndices.find_next(i) != -1;
229 }
230
231 const SmallBitVector &RegUseTracker::getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const {
232   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
233   assert(I != RegUsesMap.end() && "Unknown register!");
234   return I->second.UsedByIndices;
235 }
236
237 void RegUseTracker::clear() {
238   RegUsesMap.clear();
239   RegSequence.clear();
240 }
241
242 namespace {
243
244 /// This class holds information that describes a formula for computing
245 /// satisfying a use. It may include broken-out immediates and scaled registers.
246 struct Formula {
247   /// Global base address used for complex addressing.
248   GlobalValue *BaseGV;
249
250   /// Base offset for complex addressing.
251   int64_t BaseOffset;
252
253   /// Whether any complex addressing has a base register.
254   bool HasBaseReg;
255
256   /// The scale of any complex addressing.
257   int64_t Scale;
258
259   /// The list of "base" registers for this use. When this is non-empty. The
260   /// canonical representation of a formula is
261   /// 1. BaseRegs.size > 1 implies ScaledReg != NULL and
262   /// 2. ScaledReg != NULL implies Scale != 1 || !BaseRegs.empty().
263   /// #1 enforces that the scaled register is always used when at least two
264   /// registers are needed by the formula: e.g., reg1 + reg2 is reg1 + 1 * reg2.
265   /// #2 enforces that 1 * reg is reg.
266   /// This invariant can be temporarly broken while building a formula.
267   /// However, every formula inserted into the LSRInstance must be in canonical
268   /// form.
269   SmallVector<const SCEV *, 4> BaseRegs;
270
271   /// The 'scaled' register for this use. This should be non-null when Scale is
272   /// not zero.
273   const SCEV *ScaledReg;
274
275   /// An additional constant offset which added near the use. This requires a
276   /// temporary register, but the offset itself can live in an add immediate
277   /// field rather than a register.
278   int64_t UnfoldedOffset;
279
280   Formula()
281       : BaseGV(nullptr), BaseOffset(0), HasBaseReg(false), Scale(0),
282         ScaledReg(nullptr), UnfoldedOffset(0) {}
283
284   void initialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE);
285
286   bool isCanonical() const;
287
288   void canonicalize();
289
290   bool unscale();
291
292   size_t getNumRegs() const;
293   Type *getType() const;
294
295   void deleteBaseReg(const SCEV *&S);
296
297   bool referencesReg(const SCEV *S) const;
298   bool hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
299                                   const RegUseTracker &RegUses) const;
300
301   void print(raw_ostream &OS) const;
302   void dump() const;
303 };
304
305 }
306
307 /// Recursion helper for initialMatch.
308 static void DoInitialMatch(const SCEV *S, Loop *L,
309                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Good,
310                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Bad,
311                            ScalarEvolution &SE) {
312   // Collect expressions which properly dominate the loop header.
313   if (SE.properlyDominates(S, L->getHeader())) {
314     Good.push_back(S);
315     return;
316   }
317
318   // Look at add operands.
319   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
320     for (const SCEV *S : Add->operands())
321       DoInitialMatch(S, L, Good, Bad, SE);
322     return;
323   }
324
325   // Look at addrec operands.
326   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
327     if (!AR->getStart()->isZero()) {
328       DoInitialMatch(AR->getStart(), L, Good, Bad, SE);
329       DoInitialMatch(SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(AR->getType(), 0),
330                                       AR->getStepRecurrence(SE),
331                                       // FIXME: AR->getNoWrapFlags()
332                                       AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap),
333                      L, Good, Bad, SE);
334       return;
335     }
336
337   // Handle a multiplication by -1 (negation) if it didn't fold.
338   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S))
339     if (Mul->getOperand(0)->isAllOnesValue()) {
340       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(Mul->op_begin()+1, Mul->op_end());
341       const SCEV *NewMul = SE.getMulExpr(Ops);
342
343       SmallVector<const SCEV *, 4> MyGood;
344       SmallVector<const SCEV *, 4> MyBad;
345       DoInitialMatch(NewMul, L, MyGood, MyBad, SE);
346       const SCEV *NegOne = SE.getSCEV(ConstantInt::getAllOnesValue(
347         SE.getEffectiveSCEVType(NewMul->getType())));
348       for (const SCEV *S : MyGood)
349         Good.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, S));
350       for (const SCEV *S : MyBad)
351         Bad.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, S));
352       return;
353     }
354
355   // Ok, we can't do anything interesting. Just stuff the whole thing into a
356   // register and hope for the best.
357   Bad.push_back(S);
358 }
359
360 /// Incorporate loop-variant parts of S into this Formula, attempting to keep
361 /// all loop-invariant and loop-computable values in a single base register.
362 void Formula::initialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
363   SmallVector<const SCEV *, 4> Good;
364   SmallVector<const SCEV *, 4> Bad;
365   DoInitialMatch(S, L, Good, Bad, SE);
366   if (!Good.empty()) {
367     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Good);
368     if (!Sum->isZero())
369       BaseRegs.push_back(Sum);
370     HasBaseReg = true;
371   }
372   if (!Bad.empty()) {
373     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Bad);
374     if (!Sum->isZero())
375       BaseRegs.push_back(Sum);
376     HasBaseReg = true;
377   }
378   canonicalize();
379 }
380
381 /// \brief Check whether or not this formula statisfies the canonical
382 /// representation.
383 /// \see Formula::BaseRegs.
384 bool Formula::isCanonical() const {
385   if (ScaledReg)
386     return Scale != 1 || !BaseRegs.empty();
387   return BaseRegs.size() <= 1;
388 }
389
390 /// \brief Helper method to morph a formula into its canonical representation.
391 /// \see Formula::BaseRegs.
392 /// Every formula having more than one base register, must use the ScaledReg
393 /// field. Otherwise, we would have to do special cases everywhere in LSR
394 /// to treat reg1 + reg2 + ... the same way as reg1 + 1*reg2 + ...
395 /// On the other hand, 1*reg should be canonicalized into reg.
396 void Formula::canonicalize() {
397   if (isCanonical())
398     return;
399   // So far we did not need this case. This is easy to implement but it is
400   // useless to maintain dead code. Beside it could hurt compile time.
401   assert(!BaseRegs.empty() && "1*reg => reg, should not be needed.");
402   // Keep the invariant sum in BaseRegs and one of the variant sum in ScaledReg.
403   ScaledReg = BaseRegs.back();
404   BaseRegs.pop_back();
405   Scale = 1;
406   size_t BaseRegsSize = BaseRegs.size();
407   size_t Try = 0;
408   // If ScaledReg is an invariant, try to find a variant expression.
409   while (Try < BaseRegsSize && !isa<SCEVAddRecExpr>(ScaledReg))
410     std::swap(ScaledReg, BaseRegs[Try++]);
411 }
412
413 /// \brief Get rid of the scale in the formula.
414 /// In other words, this method morphes reg1 + 1*reg2 into reg1 + reg2.
415 /// \return true if it was possible to get rid of the scale, false otherwise.
416 /// \note After this operation the formula may not be in the canonical form.
417 bool Formula::unscale() {
418   if (Scale != 1)
419     return false;
420   Scale = 0;
421   BaseRegs.push_back(ScaledReg);
422   ScaledReg = nullptr;
423   return true;
424 }
425
426 /// Return the total number of register operands used by this formula. This does
427 /// not include register uses implied by non-constant addrec strides.
428 size_t Formula::getNumRegs() const {
429   return !!ScaledReg + BaseRegs.size();
430 }
431
432 /// Return the type of this formula, if it has one, or null otherwise. This type
433 /// is meaningless except for the bit size.
434 Type *Formula::getType() const {
435   return !BaseRegs.empty() ? BaseRegs.front()->getType() :
436          ScaledReg ? ScaledReg->getType() :
437          BaseGV ? BaseGV->getType() :
438          nullptr;
439 }
440
441 /// Delete the given base reg from the BaseRegs list.
442 void Formula::deleteBaseReg(const SCEV *&S) {
443   if (&S != &BaseRegs.back())
444     std::swap(S, BaseRegs.back());
445   BaseRegs.pop_back();
446 }
447
448 /// Test if this formula references the given register.
449 bool Formula::referencesReg(const SCEV *S) const {
450   return S == ScaledReg ||
451          std::find(BaseRegs.begin(), BaseRegs.end(), S) != BaseRegs.end();
452 }
453
454 /// Test whether this formula uses registers which are used by uses other than
455 /// the use with the given index.
456 bool Formula::hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
457                                          const RegUseTracker &RegUses) const {
458   if (ScaledReg)
459     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(ScaledReg, LUIdx))
460       return true;
461   for (const SCEV *BaseReg : BaseRegs)
462     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(BaseReg, LUIdx))
463       return true;
464   return false;
465 }
466
467 void Formula::print(raw_ostream &OS) const {
468   bool First = true;
469   if (BaseGV) {
470     if (!First) OS << " + "; else First = false;
471     BaseGV->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
472   }
473   if (BaseOffset != 0) {
474     if (!First) OS << " + "; else First = false;
475     OS << BaseOffset;
476   }
477   for (const SCEV *BaseReg : BaseRegs) {
478     if (!First) OS << " + "; else First = false;
479     OS << "reg(" << *BaseReg << ')';
480   }
481   if (HasBaseReg && BaseRegs.empty()) {
482     if (!First) OS << " + "; else First = false;
483     OS << "**error: HasBaseReg**";
484   } else if (!HasBaseReg && !BaseRegs.empty()) {
485     if (!First) OS << " + "; else First = false;
486     OS << "**error: !HasBaseReg**";
487   }
488   if (Scale != 0) {
489     if (!First) OS << " + "; else First = false;
490     OS << Scale << "*reg(";
491     if (ScaledReg)
492       OS << *ScaledReg;
493     else
494       OS << "<unknown>";
495     OS << ')';
496   }
497   if (UnfoldedOffset != 0) {
498     if (!First) OS << " + ";
499     OS << "imm(" << UnfoldedOffset << ')';
500   }
501 }
502
503 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
504 void Formula::dump() const {
505   print(errs()); errs() << '\n';
506 }
507 #endif
508
509 /// Return true if the given addrec can be sign-extended without changing its
510 /// value.
511 static bool isAddRecSExtable(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
512   Type *WideTy =
513     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(AR->getType()) + 1);
514   return isa<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
515 }
516
517 /// Return true if the given add can be sign-extended without changing its
518 /// value.
519 static bool isAddSExtable(const SCEVAddExpr *A, ScalarEvolution &SE) {
520   Type *WideTy =
521     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) + 1);
522   return isa<SCEVAddExpr>(SE.getSignExtendExpr(A, WideTy));
523 }
524
525 /// Return true if the given mul can be sign-extended without changing its
526 /// value.
527 static bool isMulSExtable(const SCEVMulExpr *M, ScalarEvolution &SE) {
528   Type *WideTy =
529     IntegerType::get(SE.getContext(),
530                      SE.getTypeSizeInBits(M->getType()) * M->getNumOperands());
531   return isa<SCEVMulExpr>(SE.getSignExtendExpr(M, WideTy));
532 }
533
534 /// Return an expression for LHS /s RHS, if it can be determined and if the
535 /// remainder is known to be zero, or null otherwise. If IgnoreSignificantBits
536 /// is true, expressions like (X * Y) /s Y are simplified to Y, ignoring that
537 /// the multiplication may overflow, which is useful when the result will be
538 /// used in a context where the most significant bits are ignored.
539 static const SCEV *getExactSDiv(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
540                                 ScalarEvolution &SE,
541                                 bool IgnoreSignificantBits = false) {
542   // Handle the trivial case, which works for any SCEV type.
543   if (LHS == RHS)
544     return SE.getConstant(LHS->getType(), 1);
545
546   // Handle a few RHS special cases.
547   const SCEVConstant *RC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
548   if (RC) {
549     const APInt &RA = RC->getValue()->getValue();
550     // Handle x /s -1 as x * -1, to give ScalarEvolution a chance to do
551     // some folding.
552     if (RA.isAllOnesValue())
553       return SE.getMulExpr(LHS, RC);
554     // Handle x /s 1 as x.
555     if (RA == 1)
556       return LHS;
557   }
558
559   // Check for a division of a constant by a constant.
560   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
561     if (!RC)
562       return nullptr;
563     const APInt &LA = C->getValue()->getValue();
564     const APInt &RA = RC->getValue()->getValue();
565     if (LA.srem(RA) != 0)
566       return nullptr;
567     return SE.getConstant(LA.sdiv(RA));
568   }
569
570   // Distribute the sdiv over addrec operands, if the addrec doesn't overflow.
571   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS)) {
572     if (IgnoreSignificantBits || isAddRecSExtable(AR, SE)) {
573       const SCEV *Step = getExactSDiv(AR->getStepRecurrence(SE), RHS, SE,
574                                       IgnoreSignificantBits);
575       if (!Step) return nullptr;
576       const SCEV *Start = getExactSDiv(AR->getStart(), RHS, SE,
577                                        IgnoreSignificantBits);
578       if (!Start) return nullptr;
579       // FlagNW is independent of the start value, step direction, and is
580       // preserved with smaller magnitude steps.
581       // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
582       return SE.getAddRecExpr(Start, Step, AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap);
583     }
584     return nullptr;
585   }
586
587   // Distribute the sdiv over add operands, if the add doesn't overflow.
588   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(LHS)) {
589     if (IgnoreSignificantBits || isAddSExtable(Add, SE)) {
590       SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
591       for (const SCEV *S : Add->operands()) {
592         const SCEV *Op = getExactSDiv(S, RHS, SE, IgnoreSignificantBits);
593         if (!Op) return nullptr;
594         Ops.push_back(Op);
595       }
596       return SE.getAddExpr(Ops);
597     }
598     return nullptr;
599   }
600
601   // Check for a multiply operand that we can pull RHS out of.
602   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(LHS)) {
603     if (IgnoreSignificantBits || isMulSExtable(Mul, SE)) {
604       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
605       bool Found = false;
606       for (const SCEV *S : Mul->operands()) {
607         if (!Found)
608           if (const SCEV *Q = getExactSDiv(S, RHS, SE,
609                                            IgnoreSignificantBits)) {
610             S = Q;
611             Found = true;
612           }
613         Ops.push_back(S);
614       }
615       return Found ? SE.getMulExpr(Ops) : nullptr;
616     }
617     return nullptr;
618   }
619
620   // Otherwise we don't know.
621   return nullptr;
622 }
623
624 /// If S involves the addition of a constant integer value, return that integer
625 /// value, and mutate S to point to a new SCEV with that value excluded.
626 static int64_t ExtractImmediate(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
627   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
628     if (C->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64) {
629       S = SE.getConstant(C->getType(), 0);
630       return C->getValue()->getSExtValue();
631     }
632   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
633     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
634     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
635     if (Result != 0)
636       S = SE.getAddExpr(NewOps);
637     return Result;
638   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
639     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
640     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
641     if (Result != 0)
642       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
643                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
644                            SCEV::FlagAnyWrap);
645     return Result;
646   }
647   return 0;
648 }
649
650 /// If S involves the addition of a GlobalValue address, return that symbol, and
651 /// mutate S to point to a new SCEV with that value excluded.
652 static GlobalValue *ExtractSymbol(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
653   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
654     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue())) {
655       S = SE.getConstant(GV->getType(), 0);
656       return GV;
657     }
658   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
659     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
660     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.back(), SE);
661     if (Result)
662       S = SE.getAddExpr(NewOps);
663     return Result;
664   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
665     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
666     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.front(), SE);
667     if (Result)
668       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
669                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
670                            SCEV::FlagAnyWrap);
671     return Result;
672   }
673   return nullptr;
674 }
675
676 /// Returns true if the specified instruction is using the specified value as an
677 /// address.
678 static bool isAddressUse(Instruction *Inst, Value *OperandVal) {
679   bool isAddress = isa<LoadInst>(Inst);
680   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
681     if (SI->getOperand(1) == OperandVal)
682       isAddress = true;
683   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
684     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
685     // of intrinsics.
686     switch (II->getIntrinsicID()) {
687       default: break;
688       case Intrinsic::prefetch:
689       case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
690       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
691       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
692       case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
693         if (II->getArgOperand(0) == OperandVal)
694           isAddress = true;
695         break;
696     }
697   }
698   return isAddress;
699 }
700
701 /// Return the type of the memory being accessed.
702 static MemAccessTy getAccessType(const Instruction *Inst) {
703   MemAccessTy AccessTy(Inst->getType(), MemAccessTy::UnknownAddressSpace);
704   if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
705     AccessTy.MemTy = SI->getOperand(0)->getType();
706     AccessTy.AddrSpace = SI->getPointerAddressSpace();
707   } else if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
708     AccessTy.AddrSpace = LI->getPointerAddressSpace();
709   } else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
710     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
711     // of intrinsics.
712     switch (II->getIntrinsicID()) {
713     default: break;
714     case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
715     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
716     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
717     case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
718       AccessTy.MemTy = II->getArgOperand(0)->getType();
719       break;
720     }
721   }
722
723   // All pointers have the same requirements, so canonicalize them to an
724   // arbitrary pointer type to minimize variation.
725   if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(AccessTy.MemTy))
726     AccessTy.MemTy = PointerType::get(IntegerType::get(PTy->getContext(), 1),
727                                       PTy->getAddressSpace());
728
729   return AccessTy;
730 }
731
732 /// Return true if this AddRec is already a phi in its loop.
733 static bool isExistingPhi(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
734   for (BasicBlock::iterator I = AR->getLoop()->getHeader()->begin();
735        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
736     if (SE.isSCEVable(PN->getType()) &&
737         (SE.getEffectiveSCEVType(PN->getType()) ==
738          SE.getEffectiveSCEVType(AR->getType())) &&
739         SE.getSCEV(PN) == AR)
740       return true;
741   }
742   return false;
743 }
744
745 /// Check if expanding this expression is likely to incur significant cost. This
746 /// is tricky because SCEV doesn't track which expressions are actually computed
747 /// by the current IR.
748 ///
749 /// We currently allow expansion of IV increments that involve adds,
750 /// multiplication by constants, and AddRecs from existing phis.
751 ///
752 /// TODO: Allow UDivExpr if we can find an existing IV increment that is an
753 /// obvious multiple of the UDivExpr.
754 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S,
755                                 SmallPtrSetImpl<const SCEV*> &Processed,
756                                 ScalarEvolution &SE) {
757   // Zero/One operand expressions
758   switch (S->getSCEVType()) {
759   case scUnknown:
760   case scConstant:
761     return false;
762   case scTruncate:
763     return isHighCostExpansion(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand(),
764                                Processed, SE);
765   case scZeroExtend:
766     return isHighCostExpansion(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand(),
767                                Processed, SE);
768   case scSignExtend:
769     return isHighCostExpansion(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand(),
770                                Processed, SE);
771   }
772
773   if (!Processed.insert(S).second)
774     return false;
775
776   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
777     for (const SCEV *S : Add->operands()) {
778       if (isHighCostExpansion(S, Processed, SE))
779         return true;
780     }
781     return false;
782   }
783
784   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
785     if (Mul->getNumOperands() == 2) {
786       // Multiplication by a constant is ok
787       if (isa<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0)))
788         return isHighCostExpansion(Mul->getOperand(1), Processed, SE);
789
790       // If we have the value of one operand, check if an existing
791       // multiplication already generates this expression.
792       if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(Mul->getOperand(1))) {
793         Value *UVal = U->getValue();
794         for (User *UR : UVal->users()) {
795           // If U is a constant, it may be used by a ConstantExpr.
796           Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(UR);
797           if (UI && UI->getOpcode() == Instruction::Mul &&
798               SE.isSCEVable(UI->getType())) {
799             return SE.getSCEV(UI) == Mul;
800           }
801         }
802       }
803     }
804   }
805
806   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
807     if (isExistingPhi(AR, SE))
808       return false;
809   }
810
811   // Fow now, consider any other type of expression (div/mul/min/max) high cost.
812   return true;
813 }
814
815 /// If any of the instructions is the specified set are trivially dead, delete
816 /// them and see if this makes any of their operands subsequently dead.
817 static bool
818 DeleteTriviallyDeadInstructions(SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
819   bool Changed = false;
820
821   while (!DeadInsts.empty()) {
822     Value *V = DeadInsts.pop_back_val();
823     Instruction *I = dyn_cast_or_null<Instruction>(V);
824
825     if (!I || !isInstructionTriviallyDead(I))
826       continue;
827
828     for (Use &O : I->operands())
829       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(O)) {
830         O = nullptr;
831         if (U->use_empty())
832           DeadInsts.emplace_back(U);
833       }
834
835     I->eraseFromParent();
836     Changed = true;
837   }
838
839   return Changed;
840 }
841
842 namespace {
843 class LSRUse;
844 }
845
846 /// \brief Check if the addressing mode defined by \p F is completely
847 /// folded in \p LU at isel time.
848 /// This includes address-mode folding and special icmp tricks.
849 /// This function returns true if \p LU can accommodate what \p F
850 /// defines and up to 1 base + 1 scaled + offset.
851 /// In other words, if \p F has several base registers, this function may
852 /// still return true. Therefore, users still need to account for
853 /// additional base registers and/or unfolded offsets to derive an
854 /// accurate cost model.
855 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
856                                  const LSRUse &LU, const Formula &F);
857 // Get the cost of the scaling factor used in F for LU.
858 static unsigned getScalingFactorCost(const TargetTransformInfo &TTI,
859                                      const LSRUse &LU, const Formula &F);
860
861 namespace {
862
863 /// This class is used to measure and compare candidate formulae.
864 class Cost {
865   /// TODO: Some of these could be merged. Also, a lexical ordering
866   /// isn't always optimal.
867   unsigned NumRegs;
868   unsigned AddRecCost;
869   unsigned NumIVMuls;
870   unsigned NumBaseAdds;
871   unsigned ImmCost;
872   unsigned SetupCost;
873   unsigned ScaleCost;
874
875 public:
876   Cost()
877     : NumRegs(0), AddRecCost(0), NumIVMuls(0), NumBaseAdds(0), ImmCost(0),
878       SetupCost(0), ScaleCost(0) {}
879
880   bool operator<(const Cost &Other) const;
881
882   void Lose();
883
884 #ifndef NDEBUG
885   // Once any of the metrics loses, they must all remain losers.
886   bool isValid() {
887     return ((NumRegs | AddRecCost | NumIVMuls | NumBaseAdds
888              | ImmCost | SetupCost | ScaleCost) != ~0u)
889       || ((NumRegs & AddRecCost & NumIVMuls & NumBaseAdds
890            & ImmCost & SetupCost & ScaleCost) == ~0u);
891   }
892 #endif
893
894   bool isLoser() {
895     assert(isValid() && "invalid cost");
896     return NumRegs == ~0u;
897   }
898
899   void RateFormula(const TargetTransformInfo &TTI,
900                    const Formula &F,
901                    SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
902                    const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
903                    const Loop *L,
904                    const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
905                    ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
906                    const LSRUse &LU,
907                    SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs = nullptr);
908
909   void print(raw_ostream &OS) const;
910   void dump() const;
911
912 private:
913   void RateRegister(const SCEV *Reg,
914                     SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
915                     const Loop *L,
916                     ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT);
917   void RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
918                            SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
919                            const Loop *L,
920                            ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
921                            SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs);
922 };
923
924 }
925
926 /// Tally up interesting quantities from the given register.
927 void Cost::RateRegister(const SCEV *Reg,
928                         SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
929                         const Loop *L,
930                         ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
931   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)) {
932     // If this is an addrec for another loop, don't second-guess its addrec phi
933     // nodes. LSR isn't currently smart enough to reason about more than one
934     // loop at a time. LSR has already run on inner loops, will not run on outer
935     // loops, and cannot be expected to change sibling loops.
936     if (AR->getLoop() != L) {
937       // If the AddRec exists, consider it's register free and leave it alone.
938       if (isExistingPhi(AR, SE))
939         return;
940
941       // Otherwise, do not consider this formula at all.
942       Lose();
943       return;
944     }
945     AddRecCost += 1; /// TODO: This should be a function of the stride.
946
947     // Add the step value register, if it needs one.
948     // TODO: The non-affine case isn't precisely modeled here.
949     if (!AR->isAffine() || !isa<SCEVConstant>(AR->getOperand(1))) {
950       if (!Regs.count(AR->getOperand(1))) {
951         RateRegister(AR->getOperand(1), Regs, L, SE, DT);
952         if (isLoser())
953           return;
954       }
955     }
956   }
957   ++NumRegs;
958
959   // Rough heuristic; favor registers which don't require extra setup
960   // instructions in the preheader.
961   if (!isa<SCEVUnknown>(Reg) &&
962       !isa<SCEVConstant>(Reg) &&
963       !(isa<SCEVAddRecExpr>(Reg) &&
964         (isa<SCEVUnknown>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()) ||
965          isa<SCEVConstant>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()))))
966     ++SetupCost;
967
968     NumIVMuls += isa<SCEVMulExpr>(Reg) &&
969                  SE.hasComputableLoopEvolution(Reg, L);
970 }
971
972 /// Record this register in the set. If we haven't seen it before, rate
973 /// it. Optional LoserRegs provides a way to declare any formula that refers to
974 /// one of those regs an instant loser.
975 void Cost::RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
976                                SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
977                                const Loop *L,
978                                ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
979                                SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs) {
980   if (LoserRegs && LoserRegs->count(Reg)) {
981     Lose();
982     return;
983   }
984   if (Regs.insert(Reg).second) {
985     RateRegister(Reg, Regs, L, SE, DT);
986     if (LoserRegs && isLoser())
987       LoserRegs->insert(Reg);
988   }
989 }
990
991 void Cost::RateFormula(const TargetTransformInfo &TTI,
992                        const Formula &F,
993                        SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
994                        const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
995                        const Loop *L,
996                        const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
997                        ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
998                        const LSRUse &LU,
999                        SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs) {
1000   assert(F.isCanonical() && "Cost is accurate only for canonical formula");
1001   // Tally up the registers.
1002   if (const SCEV *ScaledReg = F.ScaledReg) {
1003     if (VisitedRegs.count(ScaledReg)) {
1004       Lose();
1005       return;
1006     }
1007     RatePrimaryRegister(ScaledReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
1008     if (isLoser())
1009       return;
1010   }
1011   for (const SCEV *BaseReg : F.BaseRegs) {
1012     if (VisitedRegs.count(BaseReg)) {
1013       Lose();
1014       return;
1015     }
1016     RatePrimaryRegister(BaseReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
1017     if (isLoser())
1018       return;
1019   }
1020
1021   // Determine how many (unfolded) adds we'll need inside the loop.
1022   size_t NumBaseParts = F.getNumRegs();
1023   if (NumBaseParts > 1)
1024     // Do not count the base and a possible second register if the target
1025     // allows to fold 2 registers.
1026     NumBaseAdds +=
1027         NumBaseParts - (1 + (F.Scale && isAMCompletelyFolded(TTI, LU, F)));
1028   NumBaseAdds += (F.UnfoldedOffset != 0);
1029
1030   // Accumulate non-free scaling amounts.
1031   ScaleCost += getScalingFactorCost(TTI, LU, F);
1032
1033   // Tally up the non-zero immediates.
1034   for (int64_t O : Offsets) {
1035     int64_t Offset = (uint64_t)O + F.BaseOffset;
1036     if (F.BaseGV)
1037       ImmCost += 64; // Handle symbolic values conservatively.
1038                      // TODO: This should probably be the pointer size.
1039     else if (Offset != 0)
1040       ImmCost += APInt(64, Offset, true).getMinSignedBits();
1041   }
1042   assert(isValid() && "invalid cost");
1043 }
1044
1045 /// Set this cost to a losing value.
1046 void Cost::Lose() {
1047   NumRegs = ~0u;
1048   AddRecCost = ~0u;
1049   NumIVMuls = ~0u;
1050   NumBaseAdds = ~0u;
1051   ImmCost = ~0u;
1052   SetupCost = ~0u;
1053   ScaleCost = ~0u;
1054 }
1055
1056 /// Choose the lower cost.
1057 bool Cost::operator<(const Cost &Other) const {
1058   return std::tie(NumRegs, AddRecCost, NumIVMuls, NumBaseAdds, ScaleCost,
1059                   ImmCost, SetupCost) <
1060          std::tie(Other.NumRegs, Other.AddRecCost, Other.NumIVMuls,
1061                   Other.NumBaseAdds, Other.ScaleCost, Other.ImmCost,
1062                   Other.SetupCost);
1063 }
1064
1065 void Cost::print(raw_ostream &OS) const {
1066   OS << NumRegs << " reg" << (NumRegs == 1 ? "" : "s");
1067   if (AddRecCost != 0)
1068     OS << ", with addrec cost " << AddRecCost;
1069   if (NumIVMuls != 0)
1070     OS << ", plus " << NumIVMuls << " IV mul" << (NumIVMuls == 1 ? "" : "s");
1071   if (NumBaseAdds != 0)
1072     OS << ", plus " << NumBaseAdds << " base add"
1073        << (NumBaseAdds == 1 ? "" : "s");
1074   if (ScaleCost != 0)
1075     OS << ", plus " << ScaleCost << " scale cost";
1076   if (ImmCost != 0)
1077     OS << ", plus " << ImmCost << " imm cost";
1078   if (SetupCost != 0)
1079     OS << ", plus " << SetupCost << " setup cost";
1080 }
1081
1082 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1083 void Cost::dump() const {
1084   print(errs()); errs() << '\n';
1085 }
1086 #endif
1087
1088 namespace {
1089
1090 /// An operand value in an instruction which is to be replaced with some
1091 /// equivalent, possibly strength-reduced, replacement.
1092 struct LSRFixup {
1093   /// The instruction which will be updated.
1094   Instruction *UserInst;
1095
1096   /// The operand of the instruction which will be replaced. The operand may be
1097   /// used more than once; every instance will be replaced.
1098   Value *OperandValToReplace;
1099
1100   /// If this user is to use the post-incremented value of an induction
1101   /// variable, this variable is non-null and holds the loop associated with the
1102   /// induction variable.
1103   PostIncLoopSet PostIncLoops;
1104
1105   /// The index of the LSRUse describing the expression which this fixup needs,
1106   /// minus an offset (below).
1107   size_t LUIdx;
1108
1109   /// A constant offset to be added to the LSRUse expression.  This allows
1110   /// multiple fixups to share the same LSRUse with different offsets, for
1111   /// example in an unrolled loop.
1112   int64_t Offset;
1113
1114   bool isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const;
1115
1116   LSRFixup();
1117
1118   void print(raw_ostream &OS) const;
1119   void dump() const;
1120 };
1121
1122 }
1123
1124 LSRFixup::LSRFixup()
1125   : UserInst(nullptr), OperandValToReplace(nullptr), LUIdx(~size_t(0)),
1126     Offset(0) {}
1127
1128 /// Test whether this fixup always uses its value outside of the given loop.
1129 bool LSRFixup::isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const {
1130   // PHI nodes use their value in their incoming blocks.
1131   if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UserInst)) {
1132     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
1133       if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace &&
1134           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
1135         return false;
1136     return true;
1137   }
1138
1139   return !L->contains(UserInst);
1140 }
1141
1142 void LSRFixup::print(raw_ostream &OS) const {
1143   OS << "UserInst=";
1144   // Store is common and interesting enough to be worth special-casing.
1145   if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(UserInst)) {
1146     OS << "store ";
1147     Store->getOperand(0)->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1148   } else if (UserInst->getType()->isVoidTy())
1149     OS << UserInst->getOpcodeName();
1150   else
1151     UserInst->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1152
1153   OS << ", OperandValToReplace=";
1154   OperandValToReplace->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1155
1156   for (const Loop *PIL : PostIncLoops) {
1157     OS << ", PostIncLoop=";
1158     PIL->getHeader()->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1159   }
1160
1161   if (LUIdx != ~size_t(0))
1162     OS << ", LUIdx=" << LUIdx;
1163
1164   if (Offset != 0)
1165     OS << ", Offset=" << Offset;
1166 }
1167
1168 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1169 void LSRFixup::dump() const {
1170   print(errs()); errs() << '\n';
1171 }
1172 #endif
1173
1174 namespace {
1175
1176 /// A DenseMapInfo implementation for holding DenseMaps and DenseSets of sorted
1177 /// SmallVectors of const SCEV*.
1178 struct UniquifierDenseMapInfo {
1179   static SmallVector<const SCEV *, 4> getEmptyKey() {
1180     SmallVector<const SCEV *, 4>  V;
1181     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-1));
1182     return V;
1183   }
1184
1185   static SmallVector<const SCEV *, 4> getTombstoneKey() {
1186     SmallVector<const SCEV *, 4> V;
1187     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-2));
1188     return V;
1189   }
1190
1191   static unsigned getHashValue(const SmallVector<const SCEV *, 4> &V) {
1192     return static_cast<unsigned>(hash_combine_range(V.begin(), V.end()));
1193   }
1194
1195   static bool isEqual(const SmallVector<const SCEV *, 4> &LHS,
1196                       const SmallVector<const SCEV *, 4> &RHS) {
1197     return LHS == RHS;
1198   }
1199 };
1200
1201 /// This class holds the state that LSR keeps for each use in IVUsers, as well
1202 /// as uses invented by LSR itself. It includes information about what kinds of
1203 /// things can be folded into the user, information about the user itself, and
1204 /// information about how the use may be satisfied.  TODO: Represent multiple
1205 /// users of the same expression in common?
1206 class LSRUse {
1207   DenseSet<SmallVector<const SCEV *, 4>, UniquifierDenseMapInfo> Uniquifier;
1208
1209 public:
1210   /// An enum for a kind of use, indicating what types of scaled and immediate
1211   /// operands it might support.
1212   enum KindType {
1213     Basic,   ///< A normal use, with no folding.
1214     Special, ///< A special case of basic, allowing -1 scales.
1215     Address, ///< An address use; folding according to TargetLowering
1216     ICmpZero ///< An equality icmp with both operands folded into one.
1217     // TODO: Add a generic icmp too?
1218   };
1219
1220   typedef PointerIntPair<const SCEV *, 2, KindType> SCEVUseKindPair;
1221
1222   KindType Kind;
1223   MemAccessTy AccessTy;
1224
1225   SmallVector<int64_t, 8> Offsets;
1226   int64_t MinOffset;
1227   int64_t MaxOffset;
1228
1229   /// This records whether all of the fixups using this LSRUse are outside of
1230   /// the loop, in which case some special-case heuristics may be used.
1231   bool AllFixupsOutsideLoop;
1232
1233   /// RigidFormula is set to true to guarantee that this use will be associated
1234   /// with a single formula--the one that initially matched. Some SCEV
1235   /// expressions cannot be expanded. This allows LSR to consider the registers
1236   /// used by those expressions without the need to expand them later after
1237   /// changing the formula.
1238   bool RigidFormula;
1239
1240   /// This records the widest use type for any fixup using this
1241   /// LSRUse. FindUseWithSimilarFormula can't consider uses with different max
1242   /// fixup widths to be equivalent, because the narrower one may be relying on
1243   /// the implicit truncation to truncate away bogus bits.
1244   Type *WidestFixupType;
1245
1246   /// A list of ways to build a value that can satisfy this user.  After the
1247   /// list is populated, one of these is selected heuristically and used to
1248   /// formulate a replacement for OperandValToReplace in UserInst.
1249   SmallVector<Formula, 12> Formulae;
1250
1251   /// The set of register candidates used by all formulae in this LSRUse.
1252   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Regs;
1253
1254   LSRUse(KindType K, MemAccessTy AT)
1255       : Kind(K), AccessTy(AT), MinOffset(INT64_MAX), MaxOffset(INT64_MIN),
1256         AllFixupsOutsideLoop(true), RigidFormula(false),
1257         WidestFixupType(nullptr) {}
1258
1259   bool HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const;
1260   bool InsertFormula(const Formula &F);
1261   void DeleteFormula(Formula &F);
1262   void RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &Reguses);
1263
1264   void print(raw_ostream &OS) const;
1265   void dump() const;
1266 };
1267
1268 }
1269
1270 /// Test whether this use as a formula which has the same registers as the given
1271 /// formula.
1272 bool LSRUse::HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const {
1273   SmallVector<const SCEV *, 4> Key = F.BaseRegs;
1274   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1275   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1276   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1277   return Uniquifier.count(Key);
1278 }
1279
1280 /// If the given formula has not yet been inserted, add it to the list, and
1281 /// return true. Return false otherwise.  The formula must be in canonical form.
1282 bool LSRUse::InsertFormula(const Formula &F) {
1283   assert(F.isCanonical() && "Invalid canonical representation");
1284
1285   if (!Formulae.empty() && RigidFormula)
1286     return false;
1287
1288   SmallVector<const SCEV *, 4> Key = F.BaseRegs;
1289   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1290   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1291   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1292
1293   if (!Uniquifier.insert(Key).second)
1294     return false;
1295
1296   // Using a register to hold the value of 0 is not profitable.
1297   assert((!F.ScaledReg || !F.ScaledReg->isZero()) &&
1298          "Zero allocated in a scaled register!");
1299 #ifndef NDEBUG
1300   for (const SCEV *BaseReg : F.BaseRegs)
1301     assert(!BaseReg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
1302 #endif
1303
1304   // Add the formula to the list.
1305   Formulae.push_back(F);
1306
1307   // Record registers now being used by this use.
1308   Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1309   if (F.ScaledReg)
1310     Regs.insert(F.ScaledReg);
1311
1312   return true;
1313 }
1314
1315 /// Remove the given formula from this use's list.
1316 void LSRUse::DeleteFormula(Formula &F) {
1317   if (&F != &Formulae.back())
1318     std::swap(F, Formulae.back());
1319   Formulae.pop_back();
1320 }
1321
1322 /// Recompute the Regs field, and update RegUses.
1323 void LSRUse::RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &RegUses) {
1324   // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
1325   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> OldRegs = std::move(Regs);
1326   Regs.clear();
1327   for (const Formula &F : Formulae) {
1328     if (F.ScaledReg) Regs.insert(F.ScaledReg);
1329     Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1330   }
1331
1332   // Update the RegTracker.
1333   for (const SCEV *S : OldRegs)
1334     if (!Regs.count(S))
1335       RegUses.dropRegister(S, LUIdx);
1336 }
1337
1338 void LSRUse::print(raw_ostream &OS) const {
1339   OS << "LSR Use: Kind=";
1340   switch (Kind) {
1341   case Basic:    OS << "Basic"; break;
1342   case Special:  OS << "Special"; break;
1343   case ICmpZero: OS << "ICmpZero"; break;
1344   case Address:
1345     OS << "Address of ";
1346     if (AccessTy.MemTy->isPointerTy())
1347       OS << "pointer"; // the full pointer type could be really verbose
1348     else {
1349       OS << *AccessTy.MemTy;
1350     }
1351
1352     OS << " in addrspace(" << AccessTy.AddrSpace << ')';
1353   }
1354
1355   OS << ", Offsets={";
1356   bool NeedComma = false;
1357   for (int64_t O : Offsets) {
1358     if (NeedComma) OS << ',';
1359     OS << O;
1360     NeedComma = true;
1361   }
1362   OS << '}';
1363
1364   if (AllFixupsOutsideLoop)
1365     OS << ", all-fixups-outside-loop";
1366
1367   if (WidestFixupType)
1368     OS << ", widest fixup type: " << *WidestFixupType;
1369 }
1370
1371 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1372 void LSRUse::dump() const {
1373   print(errs()); errs() << '\n';
1374 }
1375 #endif
1376
1377 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1378                                  LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1379                                  GlobalValue *BaseGV, int64_t BaseOffset,
1380                                  bool HasBaseReg, int64_t Scale) {
1381   switch (Kind) {
1382   case LSRUse::Address:
1383     return TTI.isLegalAddressingMode(AccessTy.MemTy, BaseGV, BaseOffset,
1384                                      HasBaseReg, Scale, AccessTy.AddrSpace);
1385
1386   case LSRUse::ICmpZero:
1387     // There's not even a target hook for querying whether it would be legal to
1388     // fold a GV into an ICmp.
1389     if (BaseGV)
1390       return false;
1391
1392     // ICmp only has two operands; don't allow more than two non-trivial parts.
1393     if (Scale != 0 && HasBaseReg && BaseOffset != 0)
1394       return false;
1395
1396     // ICmp only supports no scale or a -1 scale, as we can "fold" a -1 scale by
1397     // putting the scaled register in the other operand of the icmp.
1398     if (Scale != 0 && Scale != -1)
1399       return false;
1400
1401     // If we have low-level target information, ask the target if it can fold an
1402     // integer immediate on an icmp.
1403     if (BaseOffset != 0) {
1404       // We have one of:
1405       // ICmpZero     BaseReg + BaseOffset => ICmp BaseReg, -BaseOffset
1406       // ICmpZero -1*ScaleReg + BaseOffset => ICmp ScaleReg, BaseOffset
1407       // Offs is the ICmp immediate.
1408       if (Scale == 0)
1409         // The cast does the right thing with INT64_MIN.
1410         BaseOffset = -(uint64_t)BaseOffset;
1411       return TTI.isLegalICmpImmediate(BaseOffset);
1412     }
1413
1414     // ICmpZero BaseReg + -1*ScaleReg => ICmp BaseReg, ScaleReg
1415     return true;
1416
1417   case LSRUse::Basic:
1418     // Only handle single-register values.
1419     return !BaseGV && Scale == 0 && BaseOffset == 0;
1420
1421   case LSRUse::Special:
1422     // Special case Basic to handle -1 scales.
1423     return !BaseGV && (Scale == 0 || Scale == -1) && BaseOffset == 0;
1424   }
1425
1426   llvm_unreachable("Invalid LSRUse Kind!");
1427 }
1428
1429 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1430                                  int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1431                                  LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1432                                  GlobalValue *BaseGV, int64_t BaseOffset,
1433                                  bool HasBaseReg, int64_t Scale) {
1434   // Check for overflow.
1435   if (((int64_t)((uint64_t)BaseOffset + MinOffset) > BaseOffset) !=
1436       (MinOffset > 0))
1437     return false;
1438   MinOffset = (uint64_t)BaseOffset + MinOffset;
1439   if (((int64_t)((uint64_t)BaseOffset + MaxOffset) > BaseOffset) !=
1440       (MaxOffset > 0))
1441     return false;
1442   MaxOffset = (uint64_t)BaseOffset + MaxOffset;
1443
1444   return isAMCompletelyFolded(TTI, Kind, AccessTy, BaseGV, MinOffset,
1445                               HasBaseReg, Scale) &&
1446          isAMCompletelyFolded(TTI, Kind, AccessTy, BaseGV, MaxOffset,
1447                               HasBaseReg, Scale);
1448 }
1449
1450 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1451                                  int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1452                                  LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1453                                  const Formula &F) {
1454   // For the purpose of isAMCompletelyFolded either having a canonical formula
1455   // or a scale not equal to zero is correct.
1456   // Problems may arise from non canonical formulae having a scale == 0.
1457   // Strictly speaking it would best to just rely on canonical formulae.
1458   // However, when we generate the scaled formulae, we first check that the
1459   // scaling factor is profitable before computing the actual ScaledReg for
1460   // compile time sake.
1461   assert((F.isCanonical() || F.Scale != 0));
1462   return isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy,
1463                               F.BaseGV, F.BaseOffset, F.HasBaseReg, F.Scale);
1464 }
1465
1466 /// Test whether we know how to expand the current formula.
1467 static bool isLegalUse(const TargetTransformInfo &TTI, int64_t MinOffset,
1468                        int64_t MaxOffset, LSRUse::KindType Kind,
1469                        MemAccessTy AccessTy, GlobalValue *BaseGV,
1470                        int64_t BaseOffset, bool HasBaseReg, int64_t Scale) {
1471   // We know how to expand completely foldable formulae.
1472   return isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, BaseGV,
1473                               BaseOffset, HasBaseReg, Scale) ||
1474          // Or formulae that use a base register produced by a sum of base
1475          // registers.
1476          (Scale == 1 &&
1477           isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy,
1478                                BaseGV, BaseOffset, true, 0));
1479 }
1480
1481 static bool isLegalUse(const TargetTransformInfo &TTI, int64_t MinOffset,
1482                        int64_t MaxOffset, LSRUse::KindType Kind,
1483                        MemAccessTy AccessTy, const Formula &F) {
1484   return isLegalUse(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, F.BaseGV,
1485                     F.BaseOffset, F.HasBaseReg, F.Scale);
1486 }
1487
1488 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1489                                  const LSRUse &LU, const Formula &F) {
1490   return isAMCompletelyFolded(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
1491                               LU.AccessTy, F.BaseGV, F.BaseOffset, F.HasBaseReg,
1492                               F.Scale);
1493 }
1494
1495 static unsigned getScalingFactorCost(const TargetTransformInfo &TTI,
1496                                      const LSRUse &LU, const Formula &F) {
1497   if (!F.Scale)
1498     return 0;
1499
1500   // If the use is not completely folded in that instruction, we will have to
1501   // pay an extra cost only for scale != 1.
1502   if (!isAMCompletelyFolded(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
1503                             LU.AccessTy, F))
1504     return F.Scale != 1;
1505
1506   switch (LU.Kind) {
1507   case LSRUse::Address: {
1508     // Check the scaling factor cost with both the min and max offsets.
1509     int ScaleCostMinOffset = TTI.getScalingFactorCost(
1510         LU.AccessTy.MemTy, F.BaseGV, F.BaseOffset + LU.MinOffset, F.HasBaseReg,
1511         F.Scale, LU.AccessTy.AddrSpace);
1512     int ScaleCostMaxOffset = TTI.getScalingFactorCost(
1513         LU.AccessTy.MemTy, F.BaseGV, F.BaseOffset + LU.MaxOffset, F.HasBaseReg,
1514         F.Scale, LU.AccessTy.AddrSpace);
1515
1516     assert(ScaleCostMinOffset >= 0 && ScaleCostMaxOffset >= 0 &&
1517            "Legal addressing mode has an illegal cost!");
1518     return std::max(ScaleCostMinOffset, ScaleCostMaxOffset);
1519   }
1520   case LSRUse::ICmpZero:
1521   case LSRUse::Basic:
1522   case LSRUse::Special:
1523     // The use is completely folded, i.e., everything is folded into the
1524     // instruction.
1525     return 0;
1526   }
1527
1528   llvm_unreachable("Invalid LSRUse Kind!");
1529 }
1530
1531 static bool isAlwaysFoldable(const TargetTransformInfo &TTI,
1532                              LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1533                              GlobalValue *BaseGV, int64_t BaseOffset,
1534                              bool HasBaseReg) {
1535   // Fast-path: zero is always foldable.
1536   if (BaseOffset == 0 && !BaseGV) return true;
1537
1538   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1539   // base and a scale.
1540   int64_t Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1541
1542   // Canonicalize a scale of 1 to a base register if the formula doesn't
1543   // already have a base register.
1544   if (!HasBaseReg && Scale == 1) {
1545     Scale = 0;
1546     HasBaseReg = true;
1547   }
1548
1549   return isAMCompletelyFolded(TTI, Kind, AccessTy, BaseGV, BaseOffset,
1550                               HasBaseReg, Scale);
1551 }
1552
1553 static bool isAlwaysFoldable(const TargetTransformInfo &TTI,
1554                              ScalarEvolution &SE, int64_t MinOffset,
1555                              int64_t MaxOffset, LSRUse::KindType Kind,
1556                              MemAccessTy AccessTy, const SCEV *S,
1557                              bool HasBaseReg) {
1558   // Fast-path: zero is always foldable.
1559   if (S->isZero()) return true;
1560
1561   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1562   // base and a scale.
1563   int64_t BaseOffset = ExtractImmediate(S, SE);
1564   GlobalValue *BaseGV = ExtractSymbol(S, SE);
1565
1566   // If there's anything else involved, it's not foldable.
1567   if (!S->isZero()) return false;
1568
1569   // Fast-path: zero is always foldable.
1570   if (BaseOffset == 0 && !BaseGV) return true;
1571
1572   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1573   // base and a scale.
1574   int64_t Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1575
1576   return isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, BaseGV,
1577                               BaseOffset, HasBaseReg, Scale);
1578 }
1579
1580 namespace {
1581
1582 /// An individual increment in a Chain of IV increments.  Relate an IV user to
1583 /// an expression that computes the IV it uses from the IV used by the previous
1584 /// link in the Chain.
1585 ///
1586 /// For the head of a chain, IncExpr holds the absolute SCEV expression for the
1587 /// original IVOperand. The head of the chain's IVOperand is only valid during
1588 /// chain collection, before LSR replaces IV users. During chain generation,
1589 /// IncExpr can be used to find the new IVOperand that computes the same
1590 /// expression.
1591 struct IVInc {
1592   Instruction *UserInst;
1593   Value* IVOperand;
1594   const SCEV *IncExpr;
1595
1596   IVInc(Instruction *U, Value *O, const SCEV *E):
1597     UserInst(U), IVOperand(O), IncExpr(E) {}
1598 };
1599
1600 // The list of IV increments in program order.  We typically add the head of a
1601 // chain without finding subsequent links.
1602 struct IVChain {
1603   SmallVector<IVInc,1> Incs;
1604   const SCEV *ExprBase;
1605
1606   IVChain() : ExprBase(nullptr) {}
1607
1608   IVChain(const IVInc &Head, const SCEV *Base)
1609     : Incs(1, Head), ExprBase(Base) {}
1610
1611   typedef SmallVectorImpl<IVInc>::const_iterator const_iterator;
1612
1613   // Return the first increment in the chain.
1614   const_iterator begin() const {
1615     assert(!Incs.empty());
1616     return std::next(Incs.begin());
1617   }
1618   const_iterator end() const {
1619     return Incs.end();
1620   }
1621
1622   // Returns true if this chain contains any increments.
1623   bool hasIncs() const { return Incs.size() >= 2; }
1624
1625   // Add an IVInc to the end of this chain.
1626   void add(const IVInc &X) { Incs.push_back(X); }
1627
1628   // Returns the last UserInst in the chain.
1629   Instruction *tailUserInst() const { return Incs.back().UserInst; }
1630
1631   // Returns true if IncExpr can be profitably added to this chain.
1632   bool isProfitableIncrement(const SCEV *OperExpr,
1633                              const SCEV *IncExpr,
1634                              ScalarEvolution&);
1635 };
1636
1637 /// Helper for CollectChains to track multiple IV increment uses.  Distinguish
1638 /// between FarUsers that definitely cross IV increments and NearUsers that may
1639 /// be used between IV increments.
1640 struct ChainUsers {
1641   SmallPtrSet<Instruction*, 4> FarUsers;
1642   SmallPtrSet<Instruction*, 4> NearUsers;
1643 };
1644
1645 /// This class holds state for the main loop strength reduction logic.
1646 class LSRInstance {
1647   IVUsers &IU;
1648   ScalarEvolution &SE;
1649   DominatorTree &DT;
1650   LoopInfo &LI;
1651   const TargetTransformInfo &TTI;
1652   Loop *const L;
1653   bool Changed;
1654
1655   /// This is the insert position that the current loop's induction variable
1656   /// increment should be placed. In simple loops, this is the latch block's
1657   /// terminator. But in more complicated cases, this is a position which will
1658   /// dominate all the in-loop post-increment users.
1659   Instruction *IVIncInsertPos;
1660
1661   /// Interesting factors between use strides.
1662   SmallSetVector<int64_t, 8> Factors;
1663
1664   /// Interesting use types, to facilitate truncation reuse.
1665   SmallSetVector<Type *, 4> Types;
1666
1667   /// The list of operands which are to be replaced.
1668   SmallVector<LSRFixup, 16> Fixups;
1669
1670   /// The list of interesting uses.
1671   SmallVector<LSRUse, 16> Uses;
1672
1673   /// Track which uses use which register candidates.
1674   RegUseTracker RegUses;
1675
1676   // Limit the number of chains to avoid quadratic behavior. We don't expect to
1677   // have more than a few IV increment chains in a loop. Missing a Chain falls
1678   // back to normal LSR behavior for those uses.
1679   static const unsigned MaxChains = 8;
1680
1681   /// IV users can form a chain of IV increments.
1682   SmallVector<IVChain, MaxChains> IVChainVec;
1683
1684   /// IV users that belong to profitable IVChains.
1685   SmallPtrSet<Use*, MaxChains> IVIncSet;
1686
1687   void OptimizeShadowIV();
1688   bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse);
1689   ICmpInst *OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse);
1690   void OptimizeLoopTermCond();
1691
1692   void ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
1693                         SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec);
1694   void FinalizeChain(IVChain &Chain);
1695   void CollectChains();
1696   void GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
1697                        SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts);
1698
1699   void CollectInterestingTypesAndFactors();
1700   void CollectFixupsAndInitialFormulae();
1701
1702   LSRFixup &getNewFixup() {
1703     Fixups.push_back(LSRFixup());
1704     return Fixups.back();
1705   }
1706
1707   // Support for sharing of LSRUses between LSRFixups.
1708   typedef DenseMap<LSRUse::SCEVUseKindPair, size_t> UseMapTy;
1709   UseMapTy UseMap;
1710
1711   bool reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
1712                           LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy);
1713
1714   std::pair<size_t, int64_t> getUse(const SCEV *&Expr, LSRUse::KindType Kind,
1715                                     MemAccessTy AccessTy);
1716
1717   void DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1718
1719   LSRUse *FindUseWithSimilarFormula(const Formula &F, const LSRUse &OrigLU);
1720
1721   void InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1722   void InsertSupplementalFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1723   void CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx);
1724   bool InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F);
1725
1726   void CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
1727
1728   void GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base,
1729                               unsigned Depth = 0);
1730
1731   void GenerateReassociationsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1732                                   const Formula &Base, unsigned Depth,
1733                                   size_t Idx, bool IsScaledReg = false);
1734   void GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1735   void GenerateSymbolicOffsetsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1736                                    const Formula &Base, size_t Idx,
1737                                    bool IsScaledReg = false);
1738   void GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1739   void GenerateConstantOffsetsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1740                                    const Formula &Base,
1741                                    const SmallVectorImpl<int64_t> &Worklist,
1742                                    size_t Idx, bool IsScaledReg = false);
1743   void GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1744   void GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1745   void GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1746   void GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1747   void GenerateCrossUseConstantOffsets();
1748   void GenerateAllReuseFormulae();
1749
1750   void FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
1751
1752   size_t EstimateSearchSpaceComplexity() const;
1753   void NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
1754   void NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
1755   void NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
1756   void NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
1757   void NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
1758
1759   void SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1760                     Cost &SolutionCost,
1761                     SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
1762                     const Cost &CurCost,
1763                     const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
1764                     DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const;
1765   void Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const;
1766
1767   BasicBlock::iterator
1768     HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
1769                         const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs) const;
1770   BasicBlock::iterator
1771     AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator IP,
1772                                   const LSRFixup &LF,
1773                                   const LSRUse &LU,
1774                                   SCEVExpander &Rewriter) const;
1775
1776   Value *Expand(const LSRFixup &LF,
1777                 const Formula &F,
1778                 BasicBlock::iterator IP,
1779                 SCEVExpander &Rewriter,
1780                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const;
1781   void RewriteForPHI(PHINode *PN, const LSRFixup &LF,
1782                      const Formula &F,
1783                      SCEVExpander &Rewriter,
1784                      SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1785                      Pass *P) const;
1786   void Rewrite(const LSRFixup &LF,
1787                const Formula &F,
1788                SCEVExpander &Rewriter,
1789                SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1790                Pass *P) const;
1791   void ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1792                          Pass *P);
1793
1794 public:
1795   LSRInstance(Loop *L, Pass *P);
1796
1797   bool getChanged() const { return Changed; }
1798
1799   void print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const;
1800   void print_fixups(raw_ostream &OS) const;
1801   void print_uses(raw_ostream &OS) const;
1802   void print(raw_ostream &OS) const;
1803   void dump() const;
1804 };
1805
1806 }
1807
1808 /// If IV is used in a int-to-float cast inside the loop then try to eliminate
1809 /// the cast operation.
1810 void LSRInstance::OptimizeShadowIV() {
1811   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1812   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1813     return;
1814
1815   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end();
1816        UI != E; /* empty */) {
1817     IVUsers::const_iterator CandidateUI = UI;
1818     ++UI;
1819     Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
1820     Type *DestTy = nullptr;
1821     bool IsSigned = false;
1822
1823     /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
1824        to eliminate this cast.
1825
1826          for (unsigned i = 0; i < n; ++i)
1827            foo((double)i);
1828
1829        is transformed into
1830
1831          double d = 0.0;
1832          for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d)
1833            foo(d);
1834     */
1835     if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1836       IsSigned = false;
1837       DestTy = UCast->getDestTy();
1838     }
1839     else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1840       IsSigned = true;
1841       DestTy = SCast->getDestTy();
1842     }
1843     if (!DestTy) continue;
1844
1845     // If target does not support DestTy natively then do not apply
1846     // this transformation.
1847     if (!TTI.isTypeLegal(DestTy)) continue;
1848
1849     PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
1850     if (!PH) continue;
1851     if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
1852
1853     Type *SrcTy = PH->getType();
1854     int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
1855     if (Mantissa == -1) continue;
1856     if ((int)SE.getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
1857       continue;
1858
1859     unsigned Entry, Latch;
1860     if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
1861       Entry = 0;
1862       Latch = 1;
1863     } else {
1864       Entry = 1;
1865       Latch = 0;
1866     }
1867
1868     ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
1869     if (!Init) continue;
1870     Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, IsSigned ?
1871                                         (double)Init->getSExtValue() :
1872                                         (double)Init->getZExtValue());
1873
1874     BinaryOperator *Incr =
1875       dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
1876     if (!Incr) continue;
1877     if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
1878         && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
1879       continue;
1880
1881     /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
1882     ConstantInt *C = nullptr;
1883     if (Incr->getOperand(0) == PH)
1884       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
1885     else if (Incr->getOperand(1) == PH)
1886       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
1887     else
1888       continue;
1889
1890     if (!C) continue;
1891
1892     // Ignore negative constants, as the code below doesn't handle them
1893     // correctly. TODO: Remove this restriction.
1894     if (!C->getValue().isStrictlyPositive()) continue;
1895
1896     /* Add new PHINode. */
1897     PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, 2, "IV.S.", PH);
1898
1899     /* create new increment. '++d' in above example. */
1900     Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
1901     BinaryOperator *NewIncr =
1902       BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
1903                                Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
1904                              NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
1905
1906     NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
1907     NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
1908
1909     /* Remove cast operation */
1910     ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
1911     ShadowUse->eraseFromParent();
1912     Changed = true;
1913     break;
1914   }
1915 }
1916
1917 /// If Cond has an operand that is an expression of an IV, set the IV user and
1918 /// stride information and return true, otherwise return false.
1919 bool LSRInstance::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse) {
1920   for (IVStrideUse &U : IU)
1921     if (U.getUser() == Cond) {
1922       // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1923       // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1924       // occurs enough in real life to handle.
1925       CondUse = &U;
1926       return true;
1927     }
1928   return false;
1929 }
1930
1931 /// Rewrite the loop's terminating condition if it uses a max computation.
1932 ///
1933 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
1934 /// like this:
1935 ///
1936 ///   i = 0;
1937 ///   do {
1938 ///     p[i] = 0.0;
1939 ///   } while (++i < n);
1940 ///
1941 /// the trip count isn't just 'n', because 'n' might not be positive. And
1942 /// unfortunately this can come up even for loops where the user didn't use
1943 /// a C do-while loop. For example, seemingly well-behaved top-test loops
1944 /// will commonly be lowered like this:
1945 //
1946 ///   if (n > 0) {
1947 ///     i = 0;
1948 ///     do {
1949 ///       p[i] = 0.0;
1950 ///     } while (++i < n);
1951 ///   }
1952 ///
1953 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
1954 /// test in such a way that indvars can't find it.
1955 ///
1956 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
1957 /// max expression, which allows it to give the loop a canonical
1958 /// induction variable:
1959 ///
1960 ///   i = 0;
1961 ///   max = n < 1 ? 1 : n;
1962 ///   do {
1963 ///     p[i] = 0.0;
1964 ///   } while (++i != max);
1965 ///
1966 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
1967 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
1968 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
1969 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
1970 /// needed, and it does this using a simple analysis that only succeeds if
1971 /// the loop has a canonical induction variable.
1972 ///
1973 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
1974 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
1975 ///
1976 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
1977 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
1978 /// the instructions for the maximum computation.
1979 ///
1980 ICmpInst *LSRInstance::OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse) {
1981   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
1982   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
1983       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
1984     return Cond;
1985
1986   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
1987   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
1988
1989   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1990   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1991     return Cond;
1992   const SCEV *One = SE.getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1);
1993
1994   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
1995   const SCEV *IterationCount = SE.getAddExpr(One, BackedgeTakenCount);
1996   if (IterationCount != SE.getSCEV(Sel)) return Cond;
1997
1998   // Check for a max calculation that matches the pattern. There's no check
1999   // for ICMP_ULE here because the comparison would be with zero, which
2000   // isn't interesting.
2001   CmpInst::Predicate Pred = ICmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
2002   const SCEVNAryExpr *Max = nullptr;
2003   if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(BackedgeTakenCount)) {
2004     Pred = ICmpInst::ICMP_SLE;
2005     Max = S;
2006   } else if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(IterationCount)) {
2007     Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
2008     Max = S;
2009   } else if (const SCEVUMaxExpr *U = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(IterationCount)) {
2010     Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
2011     Max = U;
2012   } else {
2013     // No match; bail.
2014     return Cond;
2015   }
2016
2017   // To handle a max with more than two operands, this optimization would
2018   // require additional checking and setup.
2019   if (Max->getNumOperands() != 2)
2020     return Cond;
2021
2022   const SCEV *MaxLHS = Max->getOperand(0);
2023   const SCEV *MaxRHS = Max->getOperand(1);
2024
2025   // ScalarEvolution canonicalizes constants to the left. For < and >, look
2026   // for a comparison with 1. For <= and >=, a comparison with zero.
2027   if (!MaxLHS ||
2028       (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred) ? !MaxLHS->isZero() : (MaxLHS != One)))
2029     return Cond;
2030
2031   // Check the relevant induction variable for conformance to
2032   // the pattern.
2033   const SCEV *IV = SE.getSCEV(Cond->getOperand(0));
2034   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2035   if (!AR || !AR->isAffine() ||
2036       AR->getStart() != One ||
2037       AR->getStepRecurrence(SE) != One)
2038     return Cond;
2039
2040   assert(AR->getLoop() == L &&
2041          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
2042
2043   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
2044   // be used in the new comparison instruction.
2045   Value *NewRHS = nullptr;
2046   if (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred)) {
2047     // Look for n+1, and grab n.
2048     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(1)))
2049       if (ConstantInt *BO1 = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1)))
2050          if (BO1->isOne() && SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
2051            NewRHS = BO->getOperand(0);
2052     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(2)))
2053       if (ConstantInt *BO1 = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1)))
2054         if (BO1->isOne() && SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
2055           NewRHS = BO->getOperand(0);
2056     if (!NewRHS)
2057       return Cond;
2058   } else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(1)) == MaxRHS)
2059     NewRHS = Sel->getOperand(1);
2060   else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(2)) == MaxRHS)
2061     NewRHS = Sel->getOperand(2);
2062   else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(MaxRHS))
2063     NewRHS = SU->getValue();
2064   else
2065     // Max doesn't match expected pattern.
2066     return Cond;
2067
2068   // Determine the new comparison opcode. It may be signed or unsigned,
2069   // and the original comparison may be either equality or inequality.
2070   if (Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_EQ)
2071     Pred = CmpInst::getInversePredicate(Pred);
2072
2073   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
2074   // delete the max calculation.
2075   ICmpInst *NewCond =
2076     new ICmpInst(Cond, Pred, Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp");
2077
2078   // Delete the max calculation instructions.
2079   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
2080   CondUse->setUser(NewCond);
2081   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
2082   Cond->eraseFromParent();
2083   Sel->eraseFromParent();
2084   if (Cmp->use_empty())
2085     Cmp->eraseFromParent();
2086   return NewCond;
2087 }
2088
2089 /// Change loop terminating condition to use the postinc iv when possible.
2090 void
2091 LSRInstance::OptimizeLoopTermCond() {
2092   SmallPtrSet<Instruction *, 4> PostIncs;
2093
2094   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
2095   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
2096   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
2097
2098   for (BasicBlock *ExitingBlock : ExitingBlocks) {
2099
2100     // Get the terminating condition for the loop if possible.  If we
2101     // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
2102     // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
2103     // one register value.
2104
2105     BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2106     if (!TermBr)
2107       continue;
2108     // FIXME: Overly conservative, termination condition could be an 'or' etc..
2109     if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2110       continue;
2111
2112     // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
2113     IVStrideUse *CondUse = nullptr;
2114     ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2115     if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse))
2116       continue;
2117
2118     // If the trip count is computed in terms of a max (due to ScalarEvolution
2119     // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
2120     // comparison to use SLT or ULT instead of NE.
2121     // One consequence of doing this now is that it disrupts the count-down
2122     // optimization. That's not always a bad thing though, because in such
2123     // cases it may still be worthwhile to avoid a max.
2124     Cond = OptimizeMax(Cond, CondUse);
2125
2126     // If this exiting block dominates the latch block, it may also use
2127     // the post-inc value if it won't be shared with other uses.
2128     // Check for dominance.
2129     if (!DT.dominates(ExitingBlock, LatchBlock))
2130       continue;
2131
2132     // Conservatively avoid trying to use the post-inc value in non-latch
2133     // exits if there may be pre-inc users in intervening blocks.
2134     if (LatchBlock != ExitingBlock)
2135       for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
2136         // Test if the use is reachable from the exiting block. This dominator
2137         // query is a conservative approximation of reachability.
2138         if (&*UI != CondUse &&
2139             !DT.properlyDominates(UI->getUser()->getParent(), ExitingBlock)) {
2140           // Conservatively assume there may be reuse if the quotient of their
2141           // strides could be a legal scale.
2142           const SCEV *A = IU.getStride(*CondUse, L);
2143           const SCEV *B = IU.getStride(*UI, L);
2144           if (!A || !B) continue;
2145           if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) !=
2146               SE.getTypeSizeInBits(B->getType())) {
2147             if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) >
2148                 SE.getTypeSizeInBits(B->getType()))
2149               B = SE.getSignExtendExpr(B, A->getType());
2150             else
2151               A = SE.getSignExtendExpr(A, B->getType());
2152           }
2153           if (const SCEVConstant *D =
2154                 dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(B, A, SE))) {
2155             const ConstantInt *C = D->getValue();
2156             // Stride of one or negative one can have reuse with non-addresses.
2157             if (C->isOne() || C->isAllOnesValue())
2158               goto decline_post_inc;
2159             // Avoid weird situations.
2160             if (C->getValue().getMinSignedBits() >= 64 ||
2161                 C->getValue().isMinSignedValue())
2162               goto decline_post_inc;
2163             // Check for possible scaled-address reuse.
2164             MemAccessTy AccessTy = getAccessType(UI->getUser());
2165             int64_t Scale = C->getSExtValue();
2166             if (TTI.isLegalAddressingMode(AccessTy.MemTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2167                                           /*BaseOffset=*/0,
2168                                           /*HasBaseReg=*/false, Scale,
2169                                           AccessTy.AddrSpace))
2170               goto decline_post_inc;
2171             Scale = -Scale;
2172             if (TTI.isLegalAddressingMode(AccessTy.MemTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2173                                           /*BaseOffset=*/0,
2174                                           /*HasBaseReg=*/false, Scale,
2175                                           AccessTy.AddrSpace))
2176               goto decline_post_inc;
2177           }
2178         }
2179
2180     DEBUG(dbgs() << "  Change loop exiting icmp to use postinc iv: "
2181                  << *Cond << '\n');
2182
2183     // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
2184     // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
2185     // the exiting block branch, move it.
2186     if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != TermBr) {
2187       if (Cond->hasOneUse()) {
2188         Cond->moveBefore(TermBr);
2189       } else {
2190         // Clone the terminating condition and insert into the loopend.
2191         ICmpInst *OldCond = Cond;
2192         Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
2193         Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2194         ExitingBlock->getInstList().insert(TermBr->getIterator(), Cond);
2195
2196         // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2197         CondUse = &IU.AddUser(Cond, CondUse->getOperandValToReplace());
2198         TermBr->replaceUsesOfWith(OldCond, Cond);
2199       }
2200     }
2201
2202     // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2203     // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2204     // live ranges for the IV correctly.
2205     CondUse->transformToPostInc(L);
2206     Changed = true;
2207
2208     PostIncs.insert(Cond);
2209   decline_post_inc:;
2210   }
2211
2212   // Determine an insertion point for the loop induction variable increment. It
2213   // must dominate all the post-inc comparisons we just set up, and it must
2214   // dominate the loop latch edge.
2215   IVIncInsertPos = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2216   for (Instruction *Inst : PostIncs) {
2217     BasicBlock *BB =
2218       DT.findNearestCommonDominator(IVIncInsertPos->getParent(),
2219                                     Inst->getParent());
2220     if (BB == Inst->getParent())
2221       IVIncInsertPos = Inst;
2222     else if (BB != IVIncInsertPos->getParent())
2223       IVIncInsertPos = BB->getTerminator();
2224   }
2225 }
2226
2227 /// Determine if the given use can accommodate a fixup at the given offset and
2228 /// other details. If so, update the use and return true.
2229 bool LSRInstance::reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset,
2230                                      bool HasBaseReg, LSRUse::KindType Kind,
2231                                      MemAccessTy AccessTy) {
2232   int64_t NewMinOffset = LU.MinOffset;
2233   int64_t NewMaxOffset = LU.MaxOffset;
2234   MemAccessTy NewAccessTy = AccessTy;
2235
2236   // Check for a mismatched kind. It's tempting to collapse mismatched kinds to
2237   // something conservative, however this can pessimize in the case that one of
2238   // the uses will have all its uses outside the loop, for example.
2239   if (LU.Kind != Kind)
2240     return false;
2241
2242   // Check for a mismatched access type, and fall back conservatively as needed.
2243   // TODO: Be less conservative when the type is similar and can use the same
2244   // addressing modes.
2245   if (Kind == LSRUse::Address) {
2246     if (AccessTy != LU.AccessTy)
2247       NewAccessTy = MemAccessTy::getUnknown(AccessTy.MemTy->getContext());
2248   }
2249
2250   // Conservatively assume HasBaseReg is true for now.
2251   if (NewOffset < LU.MinOffset) {
2252     if (!isAlwaysFoldable(TTI, Kind, NewAccessTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2253                           LU.MaxOffset - NewOffset, HasBaseReg))
2254       return false;
2255     NewMinOffset = NewOffset;
2256   } else if (NewOffset > LU.MaxOffset) {
2257     if (!isAlwaysFoldable(TTI, Kind, NewAccessTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2258                           NewOffset - LU.MinOffset, HasBaseReg))
2259       return false;
2260     NewMaxOffset = NewOffset;
2261   }
2262
2263   // Update the use.
2264   LU.MinOffset = NewMinOffset;
2265   LU.MaxOffset = NewMaxOffset;
2266   LU.AccessTy = NewAccessTy;
2267   if (NewOffset != LU.Offsets.back())
2268     LU.Offsets.push_back(NewOffset);
2269   return true;
2270 }
2271
2272 /// Return an LSRUse index and an offset value for a fixup which needs the given
2273 /// expression, with the given kind and optional access type.  Either reuse an
2274 /// existing use or create a new one, as needed.
2275 std::pair<size_t, int64_t> LSRInstance::getUse(const SCEV *&Expr,
2276                                                LSRUse::KindType Kind,
2277                                                MemAccessTy AccessTy) {
2278   const SCEV *Copy = Expr;
2279   int64_t Offset = ExtractImmediate(Expr, SE);
2280
2281   // Basic uses can't accept any offset, for example.
2282   if (!isAlwaysFoldable(TTI, Kind, AccessTy, /*BaseGV=*/ nullptr,
2283                         Offset, /*HasBaseReg=*/ true)) {
2284     Expr = Copy;
2285     Offset = 0;
2286   }
2287
2288   std::pair<UseMapTy::iterator, bool> P =
2289     UseMap.insert(std::make_pair(LSRUse::SCEVUseKindPair(Expr, Kind), 0));
2290   if (!P.second) {
2291     // A use already existed with this base.
2292     size_t LUIdx = P.first->second;
2293     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2294     if (reconcileNewOffset(LU, Offset, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy))
2295       // Reuse this use.
2296       return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2297   }
2298
2299   // Create a new use.
2300   size_t LUIdx = Uses.size();
2301   P.first->second = LUIdx;
2302   Uses.push_back(LSRUse(Kind, AccessTy));
2303   LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2304
2305   // We don't need to track redundant offsets, but we don't need to go out
2306   // of our way here to avoid them.
2307   if (LU.Offsets.empty() || Offset != LU.Offsets.back())
2308     LU.Offsets.push_back(Offset);
2309
2310   LU.MinOffset = Offset;
2311   LU.MaxOffset = Offset;
2312   return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2313 }
2314
2315 /// Delete the given use from the Uses list.
2316 void LSRInstance::DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2317   if (&LU != &Uses.back())
2318     std::swap(LU, Uses.back());
2319   Uses.pop_back();
2320
2321   // Update RegUses.
2322   RegUses.swapAndDropUse(LUIdx, Uses.size());
2323 }
2324
2325 /// Look for a use distinct from OrigLU which is has a formula that has the same
2326 /// registers as the given formula.
2327 LSRUse *
2328 LSRInstance::FindUseWithSimilarFormula(const Formula &OrigF,
2329                                        const LSRUse &OrigLU) {
2330   // Search all uses for the formula. This could be more clever.
2331   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2332     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2333     // Check whether this use is close enough to OrigLU, to see whether it's
2334     // worthwhile looking through its formulae.
2335     // Ignore ICmpZero uses because they may contain formulae generated by
2336     // GenerateICmpZeroScales, in which case adding fixup offsets may
2337     // be invalid.
2338     if (&LU != &OrigLU &&
2339         LU.Kind != LSRUse::ICmpZero &&
2340         LU.Kind == OrigLU.Kind && OrigLU.AccessTy == LU.AccessTy &&
2341         LU.WidestFixupType == OrigLU.WidestFixupType &&
2342         LU.HasFormulaWithSameRegs(OrigF)) {
2343       // Scan through this use's formulae.
2344       for (const Formula &F : LU.Formulae) {
2345         // Check to see if this formula has the same registers and symbols
2346         // as OrigF.
2347         if (F.BaseRegs == OrigF.BaseRegs &&
2348             F.ScaledReg == OrigF.ScaledReg &&
2349             F.BaseGV == OrigF.BaseGV &&
2350             F.Scale == OrigF.Scale &&
2351             F.UnfoldedOffset == OrigF.UnfoldedOffset) {
2352           if (F.BaseOffset == 0)
2353             return &LU;
2354           // This is the formula where all the registers and symbols matched;
2355           // there aren't going to be any others. Since we declined it, we
2356           // can skip the rest of the formulae and proceed to the next LSRUse.
2357           break;
2358         }
2359       }
2360     }
2361   }
2362
2363   // Nothing looked good.
2364   return nullptr;
2365 }
2366
2367 void LSRInstance::CollectInterestingTypesAndFactors() {
2368   SmallSetVector<const SCEV *, 4> Strides;
2369
2370   // Collect interesting types and strides.
2371   SmallVector<const SCEV *, 4> Worklist;
2372   for (const IVStrideUse &U : IU) {
2373     const SCEV *Expr = IU.getExpr(U);
2374
2375     // Collect interesting types.
2376     Types.insert(SE.getEffectiveSCEVType(Expr->getType()));
2377
2378     // Add strides for mentioned loops.
2379     Worklist.push_back(Expr);
2380     do {
2381       const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2382       if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2383         if (AR->getLoop() == L)
2384           Strides.insert(AR->getStepRecurrence(SE));
2385         Worklist.push_back(AR->getStart());
2386       } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2387         Worklist.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
2388       }
2389     } while (!Worklist.empty());
2390   }
2391
2392   // Compute interesting factors from the set of interesting strides.
2393   for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator
2394        I = Strides.begin(), E = Strides.end(); I != E; ++I)
2395     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator NewStrideIter =
2396          std::next(I); NewStrideIter != E; ++NewStrideIter) {
2397       const SCEV *OldStride = *I;
2398       const SCEV *NewStride = *NewStrideIter;
2399
2400       if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) !=
2401           SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType())) {
2402         if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) >
2403             SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType()))
2404           NewStride = SE.getSignExtendExpr(NewStride, OldStride->getType());
2405         else
2406           OldStride = SE.getSignExtendExpr(OldStride, NewStride->getType());
2407       }
2408       if (const SCEVConstant *Factor =
2409             dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(NewStride, OldStride,
2410                                                         SE, true))) {
2411         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2412           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2413       } else if (const SCEVConstant *Factor =
2414                    dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(OldStride,
2415                                                                NewStride,
2416                                                                SE, true))) {
2417         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2418           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2419       }
2420     }
2421
2422   // If all uses use the same type, don't bother looking for truncation-based
2423   // reuse.
2424   if (Types.size() == 1)
2425     Types.clear();
2426
2427   DEBUG(print_factors_and_types(dbgs()));
2428 }
2429
2430 /// Helper for CollectChains that finds an IV operand (computed by an AddRec in
2431 /// this loop) within [OI,OE) or returns OE. If IVUsers mapped Instructions to
2432 /// IVStrideUses, we could partially skip this.
2433 static User::op_iterator
2434 findIVOperand(User::op_iterator OI, User::op_iterator OE,
2435               Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
2436   for(; OI != OE; ++OI) {
2437     if (Instruction *Oper = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2438       if (!SE.isSCEVable(Oper->getType()))
2439         continue;
2440
2441       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
2442           dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Oper))) {
2443         if (AR->getLoop() == L)
2444           break;
2445       }
2446     }
2447   }
2448   return OI;
2449 }
2450
2451 /// IVChain logic must consistenctly peek base TruncInst operands, so wrap it in
2452 /// a convenient helper.
2453 static Value *getWideOperand(Value *Oper) {
2454   if (TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(Oper))
2455     return Trunc->getOperand(0);
2456   return Oper;
2457 }
2458
2459 /// Return true if we allow an IV chain to include both types.
2460 static bool isCompatibleIVType(Value *LVal, Value *RVal) {
2461   Type *LType = LVal->getType();
2462   Type *RType = RVal->getType();
2463   return (LType == RType) || (LType->isPointerTy() && RType->isPointerTy());
2464 }
2465
2466 /// Return an approximation of this SCEV expression's "base", or NULL for any
2467 /// constant. Returning the expression itself is conservative. Returning a
2468 /// deeper subexpression is more precise and valid as long as it isn't less
2469 /// complex than another subexpression. For expressions involving multiple
2470 /// unscaled values, we need to return the pointer-type SCEVUnknown. This avoids
2471 /// forming chains across objects, such as: PrevOper==a[i], IVOper==b[i],
2472 /// IVInc==b-a.
2473 ///
2474 /// Since SCEVUnknown is the rightmost type, and pointers are the rightmost
2475 /// SCEVUnknown, we simply return the rightmost SCEV operand.
2476 static const SCEV *getExprBase(const SCEV *S) {
2477   switch (S->getSCEVType()) {
2478   default: // uncluding scUnknown.
2479     return S;
2480   case scConstant:
2481     return nullptr;
2482   case scTruncate:
2483     return getExprBase(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand());
2484   case scZeroExtend:
2485     return getExprBase(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand());
2486   case scSignExtend:
2487     return getExprBase(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand());
2488   case scAddExpr: {
2489     // Skip over scaled operands (scMulExpr) to follow add operands as long as
2490     // there's nothing more complex.
2491     // FIXME: not sure if we want to recognize negation.
2492     const SCEVAddExpr *Add = cast<SCEVAddExpr>(S);
2493     for (std::reverse_iterator<SCEVAddExpr::op_iterator> I(Add->op_end()),
2494            E(Add->op_begin()); I != E; ++I) {
2495       const SCEV *SubExpr = *I;
2496       if (SubExpr->getSCEVType() == scAddExpr)
2497         return getExprBase(SubExpr);
2498
2499       if (SubExpr->getSCEVType() != scMulExpr)
2500         return SubExpr;
2501     }
2502     return S; // all operands are scaled, be conservative.
2503   }
2504   case scAddRecExpr:
2505     return getExprBase(cast<SCEVAddRecExpr>(S)->getStart());
2506   }
2507 }
2508
2509 /// Return true if the chain increment is profitable to expand into a loop
2510 /// invariant value, which may require its own register. A profitable chain
2511 /// increment will be an offset relative to the same base. We allow such offsets
2512 /// to potentially be used as chain increment as long as it's not obviously
2513 /// expensive to expand using real instructions.
2514 bool IVChain::isProfitableIncrement(const SCEV *OperExpr,
2515                                     const SCEV *IncExpr,
2516                                     ScalarEvolution &SE) {
2517   // Aggressively form chains when -stress-ivchain.
2518   if (StressIVChain)
2519     return true;
2520
2521   // Do not replace a constant offset from IV head with a nonconstant IV
2522   // increment.
2523   if (!isa<SCEVConstant>(IncExpr)) {
2524     const SCEV *HeadExpr = SE.getSCEV(getWideOperand(Incs[0].IVOperand));
2525     if (isa<SCEVConstant>(SE.getMinusSCEV(OperExpr, HeadExpr)))
2526       return 0;
2527   }
2528
2529   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
2530   return !isHighCostExpansion(IncExpr, Processed, SE);
2531 }
2532
2533 /// Return true if the number of registers needed for the chain is estimated to
2534 /// be less than the number required for the individual IV users. First prohibit
2535 /// any IV users that keep the IV live across increments (the Users set should
2536 /// be empty). Next count the number and type of increments in the chain.
2537 ///
2538 /// Chaining IVs can lead to considerable code bloat if ISEL doesn't
2539 /// effectively use postinc addressing modes. Only consider it profitable it the
2540 /// increments can be computed in fewer registers when chained.
2541 ///
2542 /// TODO: Consider IVInc free if it's already used in another chains.
2543 static bool
2544 isProfitableChain(IVChain &Chain, SmallPtrSetImpl<Instruction*> &Users,
2545                   ScalarEvolution &SE, const TargetTransformInfo &TTI) {
2546   if (StressIVChain)
2547     return true;
2548
2549   if (!Chain.hasIncs())
2550     return false;
2551
2552   if (!Users.empty()) {
2553     DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " users:\n";
2554           for (Instruction *Inst : Users) {
2555             dbgs() << "  " << *Inst << "\n";
2556           });
2557     return false;
2558   }
2559   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2560
2561   // The chain itself may require a register, so intialize cost to 1.
2562   int cost = 1;
2563
2564   // A complete chain likely eliminates the need for keeping the original IV in
2565   // a register. LSR does not currently know how to form a complete chain unless
2566   // the header phi already exists.
2567   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())
2568       && SE.getSCEV(Chain.tailUserInst()) == Chain.Incs[0].IncExpr) {
2569     --cost;
2570   }
2571   const SCEV *LastIncExpr = nullptr;
2572   unsigned NumConstIncrements = 0;
2573   unsigned NumVarIncrements = 0;
2574   unsigned NumReusedIncrements = 0;
2575   for (const IVInc &Inc : Chain) {
2576     if (Inc.IncExpr->isZero())
2577       continue;
2578
2579     // Incrementing by zero or some constant is neutral. We assume constants can
2580     // be folded into an addressing mode or an add's immediate operand.
2581     if (isa<SCEVConstant>(Inc.IncExpr)) {
2582       ++NumConstIncrements;
2583       continue;
2584     }
2585
2586     if (Inc.IncExpr == LastIncExpr)
2587       ++NumReusedIncrements;
2588     else
2589       ++NumVarIncrements;
2590
2591     LastIncExpr = Inc.IncExpr;
2592   }
2593   // An IV chain with a single increment is handled by LSR's postinc
2594   // uses. However, a chain with multiple increments requires keeping the IV's
2595   // value live longer than it needs to be if chained.
2596   if (NumConstIncrements > 1)
2597     --cost;
2598
2599   // Materializing increment expressions in the preheader that didn't exist in
2600   // the original code may cost a register. For example, sign-extended array
2601   // indices can produce ridiculous increments like this:
2602   // IV + ((sext i32 (2 * %s) to i64) + (-1 * (sext i32 %s to i64)))
2603   cost += NumVarIncrements;
2604
2605   // Reusing variable increments likely saves a register to hold the multiple of
2606   // the stride.
2607   cost -= NumReusedIncrements;
2608
2609   DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " Cost: " << cost
2610                << "\n");
2611
2612   return cost < 0;
2613 }
2614
2615 /// Add this IV user to an existing chain or make it the head of a new chain.
2616 void LSRInstance::ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
2617                                    SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec) {
2618   // When IVs are used as types of varying widths, they are generally converted
2619   // to a wider type with some uses remaining narrow under a (free) trunc.
2620   Value *const NextIV = getWideOperand(IVOper);
2621   const SCEV *const OperExpr = SE.getSCEV(NextIV);
2622   const SCEV *const OperExprBase = getExprBase(OperExpr);
2623
2624   // Visit all existing chains. Check if its IVOper can be computed as a
2625   // profitable loop invariant increment from the last link in the Chain.
2626   unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2627   const SCEV *LastIncExpr = nullptr;
2628   for (; ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2629     IVChain &Chain = IVChainVec[ChainIdx];
2630
2631     // Prune the solution space aggressively by checking that both IV operands
2632     // are expressions that operate on the same unscaled SCEVUnknown. This
2633     // "base" will be canceled by the subsequent getMinusSCEV call. Checking
2634     // first avoids creating extra SCEV expressions.
2635     if (!StressIVChain && Chain.ExprBase != OperExprBase)
2636       continue;
2637
2638     Value *PrevIV = getWideOperand(Chain.Incs.back().IVOperand);
2639     if (!isCompatibleIVType(PrevIV, NextIV))
2640       continue;
2641
2642     // A phi node terminates a chain.
2643     if (isa<PHINode>(UserInst) && isa<PHINode>(Chain.tailUserInst()))
2644       continue;
2645
2646     // The increment must be loop-invariant so it can be kept in a register.
2647     const SCEV *PrevExpr = SE.getSCEV(PrevIV);
2648     const SCEV *IncExpr = SE.getMinusSCEV(OperExpr, PrevExpr);
2649     if (!SE.isLoopInvariant(IncExpr, L))
2650       continue;
2651
2652     if (Chain.isProfitableIncrement(OperExpr, IncExpr, SE)) {
2653       LastIncExpr = IncExpr;
2654       break;
2655     }
2656   }
2657   // If we haven't found a chain, create a new one, unless we hit the max. Don't
2658   // bother for phi nodes, because they must be last in the chain.
2659   if (ChainIdx == NChains) {
2660     if (isa<PHINode>(UserInst))
2661       return;
2662     if (NChains >= MaxChains && !StressIVChain) {
2663       DEBUG(dbgs() << "IV Chain Limit\n");
2664       return;
2665     }
2666     LastIncExpr = OperExpr;
2667     // IVUsers may have skipped over sign/zero extensions. We don't currently
2668     // attempt to form chains involving extensions unless they can be hoisted
2669     // into this loop's AddRec.
2670     if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LastIncExpr))
2671       return;
2672     ++NChains;
2673     IVChainVec.push_back(IVChain(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr),
2674                                  OperExprBase));
2675     ChainUsersVec.resize(NChains);
2676     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << " Head: (" << *UserInst
2677                  << ") IV=" << *LastIncExpr << "\n");
2678   } else {
2679     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << "  Inc: (" << *UserInst
2680                  << ") IV+" << *LastIncExpr << "\n");
2681     // Add this IV user to the end of the chain.
2682     IVChainVec[ChainIdx].add(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr));
2683   }
2684   IVChain &Chain = IVChainVec[ChainIdx];
2685
2686   SmallPtrSet<Instruction*,4> &NearUsers = ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers;
2687   // This chain's NearUsers become FarUsers.
2688   if (!LastIncExpr->isZero()) {
2689     ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.insert(NearUsers.begin(),
2690                                             NearUsers.end());
2691     NearUsers.clear();
2692   }
2693
2694   // All other uses of IVOperand become near uses of the chain.
2695   // We currently ignore intermediate values within SCEV expressions, assuming
2696   // they will eventually be used be the current chain, or can be computed
2697   // from one of the chain increments. To be more precise we could
2698   // transitively follow its user and only add leaf IV users to the set.
2699   for (User *U : IVOper->users()) {
2700     Instruction *OtherUse = dyn_cast<Instruction>(U);
2701     if (!OtherUse)
2702       continue;
2703     // Uses in the chain will no longer be uses if the chain is formed.
2704     // Include the head of the chain in this iteration (not Chain.begin()).
2705     IVChain::const_iterator IncIter = Chain.Incs.begin();
2706     IVChain::const_iterator IncEnd = Chain.Incs.end();
2707     for( ; IncIter != IncEnd; ++IncIter) {
2708       if (IncIter->UserInst == OtherUse)
2709         break;
2710     }
2711     if (IncIter != IncEnd)
2712       continue;
2713
2714     if (SE.isSCEVable(OtherUse->getType())
2715         && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(OtherUse))
2716         && IU.isIVUserOrOperand(OtherUse)) {
2717       continue;
2718     }
2719     NearUsers.insert(OtherUse);
2720   }
2721
2722   // Since this user is part of the chain, it's no longer considered a use
2723   // of the chain.
2724   ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.erase(UserInst);
2725 }
2726
2727 /// Populate the vector of Chains.
2728 ///
2729 /// This decreases ILP at the architecture level. Targets with ample registers,
2730 /// multiple memory ports, and no register renaming probably don't want
2731 /// this. However, such targets should probably disable LSR altogether.
2732 ///
2733 /// The job of LSR is to make a reasonable choice of induction variables across
2734 /// the loop. Subsequent passes can easily "unchain" computation exposing more
2735 /// ILP *within the loop* if the target wants it.
2736 ///
2737 /// Finding the best IV chain is potentially a scheduling problem. Since LSR
2738 /// will not reorder memory operations, it will recognize this as a chain, but
2739 /// will generate redundant IV increments. Ideally this would be corrected later
2740 /// by a smart scheduler:
2741 ///        = A[i]
2742 ///        = A[i+x]
2743 /// A[i]   =
2744 /// A[i+x] =
2745 ///
2746 /// TODO: Walk the entire domtree within this loop, not just the path to the
2747 /// loop latch. This will discover chains on side paths, but requires
2748 /// maintaining multiple copies of the Chains state.
2749 void LSRInstance::CollectChains() {
2750   DEBUG(dbgs() << "Collecting IV Chains.\n");
2751   SmallVector<ChainUsers, 8> ChainUsersVec;
2752
2753   SmallVector<BasicBlock *,8> LatchPath;
2754   BasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2755   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopLatch());
2756        Rung->getBlock() != LoopHeader; Rung = Rung->getIDom()) {
2757     LatchPath.push_back(Rung->getBlock());
2758   }
2759   LatchPath.push_back(LoopHeader);
2760
2761   // Walk the instruction stream from the loop header to the loop latch.
2762   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::reverse_iterator
2763          BBIter = LatchPath.rbegin(), BBEnd = LatchPath.rend();
2764        BBIter != BBEnd; ++BBIter) {
2765     for (BasicBlock::iterator I = (*BBIter)->begin(), E = (*BBIter)->end();
2766          I != E; ++I) {
2767       // Skip instructions that weren't seen by IVUsers analysis.
2768       if (isa<PHINode>(I) || !IU.isIVUserOrOperand(&*I))
2769         continue;
2770
2771       // Ignore users that are part of a SCEV expression. This way we only
2772       // consider leaf IV Users. This effectively rediscovers a portion of
2773       // IVUsers analysis but in program order this time.
2774       if (SE.isSCEVable(I->getType()) && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(&*I)))
2775         continue;
2776
2777       // Remove this instruction from any NearUsers set it may be in.
2778       for (unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2779            ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2780         ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers.erase(&*I);
2781       }
2782       // Search for operands that can be chained.
2783       SmallPtrSet<Instruction*, 4> UniqueOperands;
2784       User::op_iterator IVOpEnd = I->op_end();
2785       User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(I->op_begin(), IVOpEnd, L, SE);
2786       while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2787         Instruction *IVOpInst = cast<Instruction>(*IVOpIter);
2788         if (UniqueOperands.insert(IVOpInst).second)
2789           ChainInstruction(&*I, IVOpInst, ChainUsersVec);
2790         IVOpIter = findIVOperand(std::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2791       }
2792     } // Continue walking down the instructions.
2793   } // Continue walking down the domtree.
2794   // Visit phi backedges to determine if the chain can generate the IV postinc.
2795   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2796        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2797     if (!SE.isSCEVable(PN->getType()))
2798       continue;
2799
2800     Instruction *IncV =
2801       dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2802     if (IncV)
2803       ChainInstruction(PN, IncV, ChainUsersVec);
2804   }
2805   // Remove any unprofitable chains.
2806   unsigned ChainIdx = 0;
2807   for (unsigned UsersIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2808        UsersIdx < NChains; ++UsersIdx) {
2809     if (!isProfitableChain(IVChainVec[UsersIdx],
2810                            ChainUsersVec[UsersIdx].FarUsers, SE, TTI))
2811       continue;
2812     // Preserve the chain at UsesIdx.
2813     if (ChainIdx != UsersIdx)
2814       IVChainVec[ChainIdx] = IVChainVec[UsersIdx];
2815     FinalizeChain(IVChainVec[ChainIdx]);
2816     ++ChainIdx;
2817   }
2818   IVChainVec.resize(ChainIdx);
2819 }
2820
2821 void LSRInstance::FinalizeChain(IVChain &Chain) {
2822   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2823   DEBUG(dbgs() << "Final Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << "\n");
2824
2825   for (const IVInc &Inc : Chain) {
2826     DEBUG(dbgs() << "        Inc: " << Inc.UserInst << "\n");
2827     auto UseI = std::find(Inc.UserInst->op_begin(), Inc.UserInst->op_end(),
2828                           Inc.IVOperand);
2829     assert(UseI != Inc.UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2830     IVIncSet.insert(UseI);
2831   }
2832 }
2833
2834 /// Return true if the IVInc can be folded into an addressing mode.
2835 static bool canFoldIVIncExpr(const SCEV *IncExpr, Instruction *UserInst,
2836                              Value *Operand, const TargetTransformInfo &TTI) {
2837   const SCEVConstant *IncConst = dyn_cast<SCEVConstant>(IncExpr);
2838   if (!IncConst || !isAddressUse(UserInst, Operand))
2839     return false;
2840
2841   if (IncConst->getValue()->getValue().getMinSignedBits() > 64)
2842     return false;
2843
2844   MemAccessTy AccessTy = getAccessType(UserInst);
2845   int64_t IncOffset = IncConst->getValue()->getSExtValue();
2846   if (!isAlwaysFoldable(TTI, LSRUse::Address, AccessTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2847                         IncOffset, /*HaseBaseReg=*/false))
2848     return false;
2849
2850   return true;
2851 }
2852
2853 /// Generate an add or subtract for each IVInc in a chain to materialize the IV
2854 /// user's operand from the previous IV user's operand.
2855 void LSRInstance::GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
2856                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
2857   // Find the new IVOperand for the head of the chain. It may have been replaced
2858   // by LSR.
2859   const IVInc &Head = Chain.Incs[0];
2860   User::op_iterator IVOpEnd = Head.UserInst->op_end();
2861   // findIVOperand returns IVOpEnd if it can no longer find a valid IV user.
2862   User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(Head.UserInst->op_begin(),
2863                                              IVOpEnd, L, SE);
2864   Value *IVSrc = nullptr;
2865   while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2866     IVSrc = getWideOperand(*IVOpIter);
2867
2868     // If this operand computes the expression that the chain needs, we may use
2869     // it. (Check this after setting IVSrc which is used below.)
2870     //
2871     // Note that if Head.IncExpr is wider than IVSrc, then this phi is too
2872     // narrow for the chain, so we can no longer use it. We do allow using a
2873     // wider phi, assuming the LSR checked for free truncation. In that case we
2874     // should already have a truncate on this operand such that
2875     // getSCEV(IVSrc) == IncExpr.
2876     if (SE.getSCEV(*IVOpIter) == Head.IncExpr
2877         || SE.getSCEV(IVSrc) == Head.IncExpr) {
2878       break;
2879     }
2880     IVOpIter = findIVOperand(std::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2881   }
2882   if (IVOpIter == IVOpEnd) {
2883     // Gracefully give up on this chain.
2884     DEBUG(dbgs() << "Concealed chain head: " << *Head.UserInst << "\n");
2885     return;
2886   }
2887
2888   DEBUG(dbgs() << "Generate chain at: " << *IVSrc << "\n");
2889   Type *IVTy = IVSrc->getType();
2890   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(IVTy);
2891   const SCEV *LeftOverExpr = nullptr;
2892   for (const IVInc &Inc : Chain) {
2893     Instruction *InsertPt = Inc.UserInst;
2894     if (isa<PHINode>(InsertPt))
2895       InsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2896
2897     // IVOper will replace the current IV User's operand. IVSrc is the IV
2898     // value currently held in a register.
2899     Value *IVOper = IVSrc;
2900     if (!Inc.IncExpr->isZero()) {
2901       // IncExpr was the result of subtraction of two narrow values, so must
2902       // be signed.
2903       const SCEV *IncExpr = SE.getNoopOrSignExtend(Inc.IncExpr, IntTy);
2904       LeftOverExpr = LeftOverExpr ?
2905         SE.getAddExpr(LeftOverExpr, IncExpr) : IncExpr;
2906     }
2907     if (LeftOverExpr && !LeftOverExpr->isZero()) {
2908       // Expand the IV increment.
2909       Rewriter.clearPostInc();
2910       Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(LeftOverExpr, IntTy, InsertPt);
2911       const SCEV *IVOperExpr = SE.getAddExpr(SE.getUnknown(IVSrc),
2912                                              SE.getUnknown(IncV));
2913       IVOper = Rewriter.expandCodeFor(IVOperExpr, IVTy, InsertPt);
2914
2915       // If an IV increment can't be folded, use it as the next IV value.
2916       if (!canFoldIVIncExpr(LeftOverExpr, Inc.UserInst, Inc.IVOperand, TTI)) {
2917         assert(IVTy == IVOper->getType() && "inconsistent IV increment type");
2918         IVSrc = IVOper;
2919         LeftOverExpr = nullptr;
2920       }
2921     }
2922     Type *OperTy = Inc.IVOperand->getType();
2923     if (IVTy != OperTy) {
2924       assert(SE.getTypeSizeInBits(IVTy) >= SE.getTypeSizeInBits(OperTy) &&
2925              "cannot extend a chained IV");
2926       IRBuilder<> Builder(InsertPt);
2927       IVOper = Builder.CreateTruncOrBitCast(IVOper, OperTy, "lsr.chain");
2928     }
2929     Inc.UserInst->replaceUsesOfWith(Inc.IVOperand, IVOper);
2930     DeadInsts.emplace_back(Inc.IVOperand);
2931   }
2932   // If LSR created a new, wider phi, we may also replace its postinc. We only
2933   // do this if we also found a wide value for the head of the chain.
2934   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())) {
2935     for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2936          PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2937       if (!isCompatibleIVType(Phi, IVSrc))
2938         continue;
2939       Instruction *PostIncV = dyn_cast<Instruction>(
2940         Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2941       if (!PostIncV || (SE.getSCEV(PostIncV) != SE.getSCEV(IVSrc)))
2942         continue;
2943       Value *IVOper = IVSrc;
2944       Type *PostIncTy = PostIncV->getType();
2945       if (IVTy != PostIncTy) {
2946         assert(PostIncTy->isPointerTy() && "mixing int/ptr IV types");
2947         IRBuilder<> Builder(L->getLoopLatch()->getTerminator());
2948         Builder.SetCurrentDebugLocation(PostIncV->getDebugLoc());
2949         IVOper = Builder.CreatePointerCast(IVSrc, PostIncTy, "lsr.chain");
2950       }
2951       Phi->replaceUsesOfWith(PostIncV, IVOper);
2952       DeadInsts.emplace_back(PostIncV);
2953     }
2954   }
2955 }
2956
2957 void LSRInstance::CollectFixupsAndInitialFormulae() {
2958   for (const IVStrideUse &U : IU) {
2959     Instruction *UserInst = U.getUser();
2960     // Skip IV users that are part of profitable IV Chains.
2961     User::op_iterator UseI = std::find(UserInst->op_begin(), UserInst->op_end(),
2962                                        U.getOperandValToReplace());
2963     assert(UseI != UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2964     if (IVIncSet.count(UseI))
2965       continue;
2966
2967     // Record the uses.
2968     LSRFixup &LF = getNewFixup();
2969     LF.UserInst = UserInst;
2970     LF.OperandValToReplace = U.getOperandValToReplace();
2971     LF.PostIncLoops = U.getPostIncLoops();
2972
2973     LSRUse::KindType Kind = LSRUse::Basic;
2974     MemAccessTy AccessTy;
2975     if (isAddressUse(LF.UserInst, LF.OperandValToReplace)) {
2976       Kind = LSRUse::Address;
2977       AccessTy = getAccessType(LF.UserInst);
2978     }
2979
2980     const SCEV *S = IU.getExpr(U);
2981
2982     // Equality (== and !=) ICmps are special. We can rewrite (i == N) as
2983     // (N - i == 0), and this allows (N - i) to be the expression that we work
2984     // with rather than just N or i, so we can consider the register
2985     // requirements for both N and i at the same time. Limiting this code to
2986     // equality icmps is not a problem because all interesting loops use
2987     // equality icmps, thanks to IndVarSimplify.
2988     if (ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(LF.UserInst))
2989       if (CI->isEquality()) {
2990         // Swap the operands if needed to put the OperandValToReplace on the
2991         // left, for consistency.
2992         Value *NV = CI->getOperand(1);
2993         if (NV == LF.OperandValToReplace) {
2994           CI->setOperand(1, CI->getOperand(0));
2995           CI->setOperand(0, NV);
2996           NV = CI->getOperand(1);
2997           Changed = true;
2998         }
2999
3000         // x == y  -->  x - y == 0
3001         const SCEV *N = SE.getSCEV(NV);
3002         if (SE.isLoopInvariant(N, L) && isSafeToExpand(N, SE)) {
3003           // S is normalized, so normalize N before folding it into S
3004           // to keep the result normalized.
3005           N = TransformForPostIncUse(Normalize, N, CI, nullptr,
3006                                      LF.PostIncLoops, SE, DT);
3007           Kind = LSRUse::ICmpZero;
3008           S = SE.getMinusSCEV(N, S);
3009         }
3010
3011         // -1 and the negations of all interesting strides (except the negation
3012         // of -1) are now also interesting.
3013         for (size_t i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
3014           if (Factors[i] != -1)
3015             Factors.insert(-(uint64_t)Factors[i]);
3016         Factors.insert(-1);
3017       }
3018
3019     // Set up the initial formula for this use.
3020     std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, Kind, AccessTy);
3021     LF.LUIdx = P.first;
3022     LF.Offset = P.second;
3023     LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
3024     LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
3025     if (!LU.WidestFixupType ||
3026         SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
3027         SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
3028       LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
3029
3030     // If this is the first use of this LSRUse, give it a formula.
3031     if (LU.Formulae.empty()) {
3032       InsertInitialFormula(S, LU, LF.LUIdx);
3033       CountRegisters(LU.Formulae.back(), LF.LUIdx);
3034     }
3035   }
3036
3037   DEBUG(print_fixups(dbgs()));
3038 }
3039
3040 /// Insert a formula for the given expression into the given use, separating out
3041 /// loop-variant portions from loop-invariant and loop-computable portions.
3042 void
3043 LSRInstance::InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
3044   // Mark uses whose expressions cannot be expanded.
3045   if (!isSafeToExpand(S, SE))
3046     LU.RigidFormula = true;
3047
3048   Formula F;
3049   F.initialMatch(S, L, SE);
3050   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3051   assert(Inserted && "Initial formula already exists!"); (void)Inserted;
3052 }
3053
3054 /// Insert a simple single-register formula for the given expression into the
3055 /// given use.
3056 void
3057 LSRInstance::InsertSupplementalFormula(const SCEV *S,
3058                                        LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
3059   Formula F;
3060   F.BaseRegs.push_back(S);
3061   F.HasBaseReg = true;
3062   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3063   assert(Inserted && "Supplemental formula already exists!"); (void)Inserted;
3064 }
3065
3066 /// Note which registers are used by the given formula, updating RegUses.
3067 void LSRInstance::CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx) {
3068   if (F.ScaledReg)
3069     RegUses.countRegister(F.ScaledReg, LUIdx);
3070   for (const SCEV *BaseReg : F.BaseRegs)
3071     RegUses.countRegister(BaseReg, LUIdx);
3072 }
3073
3074 /// If the given formula has not yet been inserted, add it to the list, and
3075 /// return true. Return false otherwise.
3076 bool LSRInstance::InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F) {
3077   // Do not insert formula that we will not be able to expand.
3078   assert(isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy, F) &&
3079          "Formula is illegal");
3080   if (!LU.InsertFormula(F))
3081     return false;
3082
3083   CountRegisters(F, LUIdx);
3084   return true;
3085 }
3086
3087 /// Check for other uses of loop-invariant values which we're tracking. These
3088 /// other uses will pin these values in registers, making them less profitable
3089 /// for elimination.
3090 /// TODO: This currently misses non-constant addrec step registers.
3091 /// TODO: Should this give more weight to users inside the loop?
3092 void
3093 LSRInstance::CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae() {
3094   SmallVector<const SCEV *, 8> Worklist(RegUses.begin(), RegUses.end());
3095   SmallPtrSet<const SCEV *, 32> Visited;
3096
3097   while (!Worklist.empty()) {
3098     const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
3099
3100     // Don't process the same SCEV twice
3101     if (!Visited.insert(S).second)
3102       continue;
3103
3104     if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S))
3105       Worklist.append(N->op_begin(), N->op_end());
3106     else if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
3107       Worklist.push_back(C->getOperand());
3108     else if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
3109       Worklist.push_back(D->getLHS());
3110       Worklist.push_back(D->getRHS());
3111     } else if (const SCEVUnknown *US = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
3112       const Value *V = US->getValue();
3113       if (const Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V)) {
3114         // Look for instructions defined outside the loop.
3115         if (L->contains(Inst)) continue;
3116       } else if (isa<UndefValue>(V))
3117         // Undef doesn't have a live range, so it doesn't matter.
3118         continue;
3119       for (const Use &U : V->uses()) {
3120         const Instruction *UserInst = dyn_cast<Instruction>(U.getUser());
3121         // Ignore non-instructions.
3122         if (!UserInst)
3123           continue;
3124         // Ignore instructions in other functions (as can happen with
3125         // Constants).
3126         if (UserInst->getParent()->getParent() != L->getHeader()->getParent())
3127           continue;
3128         // Ignore instructions not dominated by the loop.
3129         const BasicBlock *UseBB = !isa<PHINode>(UserInst) ?
3130           UserInst->getParent() :
3131           cast<PHINode>(UserInst)->getIncomingBlock(
3132             PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo()));
3133         if (!DT.dominates(L->getHeader(), UseBB))
3134           continue;
3135         // Don't bother if the instruction is in a BB which ends in an EHPad.
3136         if (UseBB->getTerminator()->isEHPad())
3137           continue;
3138         // Ignore uses which are part of other SCEV expressions, to avoid
3139         // analyzing them multiple times.
3140         if (SE.isSCEVable(UserInst->getType())) {
3141           const SCEV *UserS = SE.getSCEV(const_cast<Instruction *>(UserInst));
3142           // If the user is a no-op, look through to its uses.
3143           if (!isa<SCEVUnknown>(UserS))
3144             continue;
3145           if (UserS == US) {
3146             Worklist.push_back(
3147               SE.getUnknown(const_cast<Instruction *>(UserInst)));
3148             continue;
3149           }
3150         }
3151         // Ignore icmp instructions which are already being analyzed.
3152         if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UserInst)) {
3153           unsigned OtherIdx = !U.getOperandNo();
3154           Value *OtherOp = const_cast<Value *>(ICI->getOperand(OtherIdx));
3155           if (SE.hasComputableLoopEvolution(SE.getSCEV(OtherOp), L))
3156             continue;
3157         }
3158
3159         LSRFixup &LF = getNewFixup();
3160         LF.UserInst = const_cast<Instruction *>(UserInst);
3161         LF.OperandValToReplace = U;
3162         std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(
3163             S, LSRUse::Basic, MemAccessTy());
3164         LF.LUIdx = P.first;
3165         LF.Offset = P.second;
3166         LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
3167         LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
3168         if (!LU.WidestFixupType ||
3169             SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
3170             SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
3171           LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
3172         InsertSupplementalFormula(US, LU, LF.LUIdx);
3173         CountRegisters(LU.Formulae.back(), Uses.size() - 1);
3174         break;
3175       }
3176     }
3177   }
3178 }
3179
3180 /// Split S into subexpressions which can be pulled out into separate
3181 /// registers. If C is non-null, multiply each subexpression by C.
3182 ///
3183 /// Return remainder expression after factoring the subexpressions captured by
3184 /// Ops. If Ops is complete, return NULL.
3185 static const SCEV *CollectSubexprs(const SCEV *S, const SCEVConstant *C,
3186                                    SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
3187                                    const Loop *L,
3188                                    ScalarEvolution &SE,
3189                                    unsigned Depth = 0) {
3190   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
3191   if (Depth >= 3)
3192     return S;
3193
3194   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
3195     // Break out add operands.
3196     for (const SCEV *S : Add->operands()) {
3197       const SCEV *Remainder = CollectSubexprs(S, C, Ops, L, SE, Depth+1);
3198       if (Remainder)
3199         Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, Remainder) : Remainder);
3200     }
3201     return nullptr;
3202   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
3203     // Split a non-zero base out of an addrec.
3204     if (AR->getStart()->isZero())
3205       return S;
3206
3207     const SCEV *Remainder = CollectSubexprs(AR->getStart(),
3208                                             C, Ops, L, SE, Depth+1);
3209     // Split the non-zero AddRec unless it is part of a nested recurrence that
3210     // does not pertain to this loop.
3211     if (Remainder && (AR->getLoop() == L || !isa<SCEVAddRecExpr>(Remainder))) {
3212       Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, Remainder) : Remainder);
3213       Remainder = nullptr;
3214     }
3215     if (Remainder != AR->getStart()) {
3216       if (!Remainder)
3217         Remainder = SE.getConstant(AR->getType(), 0);
3218       return SE.getAddRecExpr(Remainder,
3219                               AR->getStepRecurrence(SE),
3220                               AR->getLoop(),
3221                               //FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
3222                               SCEV::FlagAnyWrap);
3223     }
3224   } else if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
3225     // Break (C * (a + b + c)) into C*a + C*b + C*c.
3226     if (Mul->getNumOperands() != 2)
3227       return S;
3228     if (const SCEVConstant *Op0 =
3229         dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))) {
3230       C = C ? cast<SCEVConstant>(SE.getMulExpr(C, Op0)) : Op0;
3231       const SCEV *Remainder =
3232         CollectSubexprs(Mul->getOperand(1), C, Ops, L, SE, Depth+1);
3233       if (Remainder)
3234         Ops.push_back(SE.getMulExpr(C, Remainder));
3235       return nullptr;
3236     }
3237   }
3238   return S;
3239 }
3240
3241 /// \brief Helper function for LSRInstance::GenerateReassociations.
3242 void LSRInstance::GenerateReassociationsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3243                                              const Formula &Base,
3244                                              unsigned Depth, size_t Idx,
3245                                              bool IsScaledReg) {
3246   const SCEV *BaseReg = IsScaledReg ? Base.ScaledReg : Base.BaseRegs[Idx];
3247   SmallVector<const SCEV *, 8> AddOps;
3248   const SCEV *Remainder = CollectSubexprs(BaseReg, nullptr, AddOps, L, SE);
3249   if (Remainder)
3250     AddOps.push_back(Remainder);
3251
3252   if (AddOps.size() == 1)
3253     return;
3254
3255   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = AddOps.begin(),
3256                                                      JE = AddOps.end();
3257        J != JE; ++J) {
3258
3259     // Loop-variant "unknown" values are uninteresting; we won't be able to
3260     // do anything meaningful with them.
3261     if (isa<SCEVUnknown>(*J) && !SE.isLoopInvariant(*J, L))
3262       continue;
3263
3264     // Don't pull a constant into a register if the constant could be folded
3265     // into an immediate field.
3266     if (isAlwaysFoldable(TTI, SE, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
3267                          LU.AccessTy, *J, Base.getNumRegs() > 1))
3268       continue;
3269
3270     // Collect all operands except *J.
3271     SmallVector<const SCEV *, 8> InnerAddOps(
3272         ((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).begin(), J);
3273     InnerAddOps.append(std::next(J),
3274                        ((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).end());
3275
3276     // Don't leave just a constant behind in a register if the constant could
3277     // be folded into an immediate field.
3278     if (InnerAddOps.size() == 1 &&
3279         isAlwaysFoldable(TTI, SE, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
3280                          LU.AccessTy, InnerAddOps[0], Base.getNumRegs() > 1))
3281       continue;
3282
3283     const SCEV *InnerSum = SE.getAddExpr(InnerAddOps);
3284     if (InnerSum->isZero())
3285       continue;
3286     Formula F = Base;
3287
3288     // Add the remaining pieces of the add back into the new formula.
3289     const SCEVConstant *InnerSumSC = dyn_cast<SCEVConstant>(InnerSum);
3290     if (InnerSumSC && SE.getTypeSizeInBits(InnerSumSC->getType()) <= 64 &&
3291         TTI.isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3292                                 InnerSumSC->getValue()->getZExtValue())) {
3293       F.UnfoldedOffset =
3294           (uint64_t)F.UnfoldedOffset + InnerSumSC->getValue()->getZExtValue();
3295       if (IsScaledReg)
3296         F.ScaledReg = nullptr;
3297       else
3298         F.BaseRegs.erase(F.BaseRegs.begin() + Idx);
3299     } else if (IsScaledReg)
3300       F.ScaledReg = InnerSum;
3301     else
3302       F.BaseRegs[Idx] = InnerSum;
3303
3304     // Add J as its own register, or an unfolded immediate.
3305     const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*J);
3306     if (SC && SE.getTypeSizeInBits(SC->getType()) <= 64 &&
3307         TTI.isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3308                                 SC->getValue()->getZExtValue()))
3309       F.UnfoldedOffset =
3310           (uint64_t)F.UnfoldedOffset + SC->getValue()->getZExtValue();
3311     else
3312       F.BaseRegs.push_back(*J);
3313     // We may have changed the number of register in base regs, adjust the
3314     // formula accordingly.
3315     F.canonicalize();
3316
3317     if (InsertFormula(LU, LUIdx, F))
3318       // If that formula hadn't been seen before, recurse to find more like
3319       // it.
3320       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae.back(), Depth + 1);
3321   }
3322 }
3323
3324 /// Split out subexpressions from adds and the bases of addrecs.
3325 void LSRInstance::GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3326                                          Formula Base, unsigned Depth) {
3327   assert(Base.isCanonical() && "Input must be in the canonical form");
3328   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
3329   if (Depth >= 3)
3330     return;
3331
3332   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3333     GenerateReassociationsImpl(LU, LUIdx, Base, Depth, i);
3334
3335   if (Base.Scale == 1)
3336     GenerateReassociationsImpl(LU, LUIdx, Base, Depth,
3337                                /* Idx */ -1, /* IsScaledReg */ true);
3338 }
3339
3340 ///  Generate a formula consisting of all of the loop-dominating registers added
3341 /// into a single register.
3342 void LSRInstance::GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3343                                        Formula Base) {
3344   // This method is only interesting on a plurality of registers.
3345   if (Base.BaseRegs.size() + (Base.Scale == 1) <= 1)
3346     return;
3347
3348   // Flatten the representation, i.e., reg1 + 1*reg2 => reg1 + reg2, before
3349   // processing the formula.
3350   Base.unscale();
3351   Formula F = Base;
3352   F.BaseRegs.clear();
3353   SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
3354   for (const SCEV *BaseReg : Base.BaseRegs) {
3355     if (SE.properlyDominates(BaseReg, L->getHeader()) &&
3356         !SE.hasComputableLoopEvolution(BaseReg, L))
3357       Ops.push_back(BaseReg);
3358     else
3359       F.BaseRegs.push_back(BaseReg);
3360   }
3361   if (Ops.size() > 1) {
3362     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Ops);
3363     // TODO: If Sum is zero, it probably means ScalarEvolution missed an
3364     // opportunity to fold something. For now, just ignore such cases
3365     // rather than proceed with zero in a register.
3366     if (!Sum->isZero()) {
3367       F.BaseRegs.push_back(Sum);
3368       F.canonicalize();
3369       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3370     }
3371   }
3372 }
3373
3374 /// \brief Helper function for LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets.
3375 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsetsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3376                                               const Formula &Base, size_t Idx,
3377                                               bool IsScaledReg) {
3378   const SCEV *G = IsScaledReg ? Base.ScaledReg : Base.BaseRegs[Idx];
3379   GlobalValue *GV = ExtractSymbol(G, SE);
3380   if (G->isZero() || !GV)
3381     return;
3382   Formula F = Base;
3383   F.BaseGV = GV;
3384   if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy, F))
3385     return;
3386   if (IsScaledReg)
3387     F.ScaledReg = G;
3388   else
3389     F.BaseRegs[Idx] = G;
3390   (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3391 }
3392
3393 /// Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3394 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3395                                           Formula Base) {
3396   // We can't add a symbolic offset if the address already contains one.
3397   if (Base.BaseGV) return;
3398
3399   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3400     GenerateSymbolicOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, i);
3401   if (Base.Scale == 1)
3402     GenerateSymbolicOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, /* Idx */ -1,
3403                                 /* IsScaledReg */ true);
3404 }
3405
3406 /// \brief Helper function for LSRInstance::GenerateConstantOffsets.
3407 void LSRInstance::GenerateConstantOffsetsImpl(
3408     LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &Base,
3409     const SmallVectorImpl<int64_t> &Worklist, size_t Idx, bool IsScaledReg) {
3410   const SCEV *G = IsScaledReg ? Base.ScaledReg : Base.BaseRegs[Idx];
3411   for (int64_t Offset : Worklist) {
3412     Formula F = Base;
3413     F.BaseOffset = (uint64_t)Base.BaseOffset - Offset;
3414     if (isLegalUse(TTI, LU.MinOffset - Offset, LU.MaxOffset - Offset, LU.Kind,
3415                    LU.AccessTy, F)) {
3416       // Add the offset to the base register.
3417       const SCEV *NewG = SE.getAddExpr(SE.getConstant(G->getType(), Offset), G);
3418       // If it cancelled out, drop the base register, otherwise update it.
3419       if (NewG->isZero()) {
3420         if (IsScaledReg) {
3421           F.Scale = 0;
3422           F.ScaledReg = nullptr;
3423         } else
3424           F.deleteBaseReg(F.BaseRegs[Idx]);
3425         F.canonicalize();
3426       } else if (IsScaledReg)
3427         F.ScaledReg = NewG;
3428       else
3429         F.BaseRegs[Idx] = NewG;
3430
3431       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3432     }
3433   }
3434
3435   int64_t Imm = ExtractImmediate(G, SE);
3436   if (G->isZero() || Imm == 0)
3437     return;
3438   Formula F = Base;
3439   F.BaseOffset = (uint64_t)F.BaseOffset + Imm;
3440   if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy, F))
3441     return;
3442   if (IsScaledReg)
3443     F.ScaledReg = G;
3444   else
3445     F.BaseRegs[Idx] = G;
3446   (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3447 }
3448
3449 /// GenerateConstantOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3450 void LSRInstance::GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3451                                           Formula Base) {
3452   // TODO: For now, just add the min and max offset, because it usually isn't
3453   // worthwhile looking at everything inbetween.
3454   SmallVector<int64_t, 2> Worklist;
3455   Worklist.push_back(LU.MinOffset);
3456   if (LU.MaxOffset != LU.MinOffset)
3457     Worklist.push_back(LU.MaxOffset);
3458
3459   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3460     GenerateConstantOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, Worklist, i);
3461   if (Base.Scale == 1)
3462     GenerateConstantOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, Worklist, /* Idx */ -1,
3463                                 /* IsScaledReg */ true);
3464 }
3465
3466 /// For ICmpZero, check to see if we can scale up the comparison. For example, x
3467 /// == y -> x*c == y*c.
3468 void LSRInstance::GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3469                                          Formula Base) {
3470   if (LU.Kind != LSRUse::ICmpZero) return;
3471
3472   // Determine the integer type for the base formula.
3473   Type *IntTy = Base.getType();
3474   if (!IntTy) return;
3475   if (SE.getTypeSizeInBits(IntTy) > 64) return;
3476
3477   // Don't do this if there is more than one offset.
3478   if (LU.MinOffset != LU.MaxOffset) return;
3479
3480   assert(!Base.BaseGV && "ICmpZero use is not legal!");
3481
3482   // Check each interesting stride.
3483   for (int64_t Factor : Factors) {
3484     // Check that the multiplication doesn't overflow.
3485     if (Base.BaseOffset == INT64_MIN && Factor == -1)
3486       continue;
3487     int64_t NewBaseOffset = (uint64_t)Base.BaseOffset * Factor;
3488     if (NewBaseOffset / Factor != Base.BaseOffset)
3489       continue;
3490     // If the offset will be truncated at this use, check that it is in bounds.
3491     if (!IntTy->isPointerTy() &&
3492         !ConstantInt::isValueValidForType(IntTy, NewBaseOffset))
3493       continue;
3494
3495     // Check that multiplying with the use offset doesn't overflow.
3496     int64_t Offset = LU.MinOffset;
3497     if (Offset == INT64_MIN && Factor == -1)
3498       continue;
3499     Offset = (uint64_t)Offset * Factor;
3500     if (Offset / Factor != LU.MinOffset)
3501       continue;
3502     // If the offset will be truncated at this use, check that it is in bounds.
3503     if (!IntTy->isPointerTy() &&
3504         !ConstantInt::isValueValidForType(IntTy, Offset))
3505       continue;
3506
3507     Formula F = Base;
3508     F.BaseOffset = NewBaseOffset;
3509
3510     // Check that this scale is legal.
3511     if (!isLegalUse(TTI, Offset, Offset, LU.Kind, LU.AccessTy, F))
3512       continue;
3513
3514     // Compensate for the use having MinOffset built into it.
3515     F.BaseOffset = (uint64_t)F.BaseOffset + Offset - LU.MinOffset;
3516
3517     const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3518
3519     // Check that multiplying with each base register doesn't overflow.
3520     for (size_t i = 0, e = F.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3521       F.BaseRegs[i] = SE.getMulExpr(F.BaseRegs[i], FactorS);
3522       if (getExactSDiv(F.BaseRegs[i], FactorS, SE) != Base.BaseRegs[i])
3523         goto next;
3524     }
3525
3526     // Check that multiplying with the scaled register doesn't overflow.
3527     if (F.ScaledReg) {
3528       F.ScaledReg = SE.getMulExpr(F.ScaledReg, FactorS);
3529       if (getExactSDiv(F.ScaledReg, FactorS, SE) != Base.ScaledReg)
3530         continue;
3531     }
3532
3533     // Check that multiplying with the unfolded offset doesn't overflow.
3534     if (F.UnfoldedOffset != 0) {
3535       if (F.UnfoldedOffset == INT64_MIN && Factor == -1)
3536         continue;
3537       F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset * Factor;
3538       if (F.UnfoldedOffset / Factor != Base.UnfoldedOffset)
3539         continue;
3540       // If the offset will be truncated, check that it is in bounds.
3541       if (!IntTy->isPointerTy() &&
3542           !ConstantInt::isValueValidForType(IntTy, F.UnfoldedOffset))
3543         continue;
3544     }
3545
3546     // If we make it here and it's legal, add it.
3547     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3548   next:;
3549   }
3550 }
3551
3552 /// Generate stride factor reuse formulae by making use of scaled-offset address
3553 /// modes, for example.
3554 void LSRInstance::GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3555   // Determine the integer type for the base formula.
3556   Type *IntTy = Base.getType();
3557   if (!IntTy) return;
3558
3559   // If this Formula already has a scaled register, we can't add another one.
3560   // Try to unscale the formula to generate a better scale.
3561   if (Base.Scale != 0 && !Base.unscale())
3562     return;
3563
3564   assert(Base.Scale == 0 && "unscale did not did its job!");
3565
3566   // Check each interesting stride.
3567   for (int64_t Factor : Factors) {
3568     Base.Scale = Factor;
3569     Base.HasBaseReg = Base.BaseRegs.size() > 1;
3570     // Check whether this scale is going to be legal.
3571     if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy,
3572                     Base)) {
3573       // As a special-case, handle special out-of-loop Basic users specially.
3574       // TODO: Reconsider this special case.
3575       if (LU.Kind == LSRUse::Basic &&
3576           isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LSRUse::Special,
3577                      LU.AccessTy, Base) &&
3578           LU.AllFixupsOutsideLoop)
3579         LU.Kind = LSRUse::Special;
3580       else
3581         continue;
3582     }
3583     // For an ICmpZero, negating a solitary base register won't lead to
3584     // new solutions.
3585     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero &&
3586         !Base.HasBaseReg && Base.BaseOffset == 0 && !Base.BaseGV)
3587       continue;
3588     // For each addrec base reg, apply the scale, if possible.
3589     for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3590       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
3591             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base.BaseRegs[i])) {
3592         const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3593         if (FactorS->isZero())
3594           continue;
3595         // Divide out the factor, ignoring high bits, since we'll be
3596         // scaling the value back up in the end.
3597         if (const SCEV *Quotient = getExactSDiv(AR, FactorS, SE, true)) {
3598           // TODO: This could be optimized to avoid all the copying.
3599           Formula F = Base;
3600           F.ScaledReg = Quotient;
3601           F.deleteBaseReg(F.BaseRegs[i]);
3602           // The canonical representation of 1*reg is reg, which is already in
3603           // Base. In that case, do not try to insert the formula, it will be
3604           // rejected anyway.
3605           if (F.Scale == 1 && F.BaseRegs.empty())
3606             continue;
3607           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3608         }
3609       }
3610   }
3611 }
3612
3613 /// Generate reuse formulae from different IV types.
3614 void LSRInstance::GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3615   // Don't bother truncating symbolic values.
3616   if (Base.BaseGV) return;
3617
3618   // Determine the integer type for the base formula.
3619   Type *DstTy = Base.getType();
3620   if (!DstTy) return;
3621   DstTy = SE.getEffectiveSCEVType(DstTy);
3622
3623   for (Type *SrcTy : Types) {
3624     if (SrcTy != DstTy && TTI.isTruncateFree(SrcTy, DstTy)) {
3625       Formula F = Base;
3626
3627       if (F.ScaledReg) F.ScaledReg = SE.getAnyExtendExpr(F.ScaledReg, SrcTy);
3628       for (const SCEV *&BaseReg : F.BaseRegs)
3629         BaseReg = SE.getAnyExtendExpr(BaseReg, SrcTy);
3630
3631       // TODO: This assumes we've done basic processing on all uses and
3632       // have an idea what the register usage is.
3633       if (!F.hasRegsUsedByUsesOtherThan(LUIdx, RegUses))
3634         continue;
3635
3636       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3637     }
3638   }
3639 }
3640
3641 namespace {
3642
3643 /// Helper class for GenerateCrossUseConstantOffsets. It's used to defer
3644 /// modifications so that the search phase doesn't have to worry about the data
3645 /// structures moving underneath it.
3646 struct WorkItem {
3647   size_t LUIdx;
3648   int64_t Imm;
3649   const SCEV *OrigReg;
3650
3651   WorkItem(size_t LI, int64_t I, const SCEV *R)
3652     : LUIdx(LI), Imm(I), OrigReg(R) {}
3653
3654   void print(raw_ostream &OS) const;
3655   void dump() const;
3656 };
3657
3658 }
3659
3660 void WorkItem::print(raw_ostream &OS) const {
3661   OS << "in formulae referencing " << *OrigReg << " in use " << LUIdx
3662      << " , add offset " << Imm;
3663 }
3664
3665 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
3666 void WorkItem::dump() const {
3667   print(errs()); errs() << '\n';
3668 }
3669 #endif
3670
3671 /// Look for registers which are a constant distance apart and try to form reuse
3672 /// opportunities between them.
3673 void LSRInstance::GenerateCrossUseConstantOffsets() {
3674   // Group the registers by their value without any added constant offset.
3675   typedef std::map<int64_t, const SCEV *> ImmMapTy;
3676   DenseMap<const SCEV *, ImmMapTy> Map;
3677   DenseMap<const SCEV *, SmallBitVector> UsedByIndicesMap;
3678   SmallVector<const SCEV *, 8> Sequence;
3679   for (const SCEV *Use : RegUses) {
3680     const SCEV *Reg = Use; // Make a copy for ExtractImmediate to modify.
3681     int64_t Imm = ExtractImmediate(Reg, SE);
3682     auto Pair = Map.insert(std::make_pair(Reg, ImmMapTy()));
3683     if (Pair.second)
3684       Sequence.push_back(Reg);
3685     Pair.first->second.insert(std::make_pair(Imm, Use));
3686     UsedByIndicesMap[Reg] |= RegUses.getUsedByIndices(Use);
3687   }
3688
3689   // Now examine each set of registers with the same base value. Build up
3690   // a list of work to do and do the work in a separate step so that we're
3691   // not adding formulae and register counts while we're searching.
3692   SmallVector<WorkItem, 32> WorkItems;
3693   SmallSet<std::pair<size_t, int64_t>, 32> UniqueItems;
3694   for (const SCEV *Reg : Sequence) {
3695     const ImmMapTy &Imms = Map.find(Reg)->second;
3696
3697     // It's not worthwhile looking for reuse if there's only one offset.
3698     if (Imms.size() == 1)
3699       continue;
3700
3701     DEBUG(dbgs() << "Generating cross-use offsets for " << *Reg << ':';
3702           for (const auto &Entry : Imms)
3703             dbgs() << ' ' << Entry.first;
3704           dbgs() << '\n');
3705
3706     // Examine each offset.
3707     for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3708          J != JE; ++J) {
3709       const SCEV *OrigReg = J->second;
3710
3711       int64_t JImm = J->first;
3712       const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(OrigReg);
3713
3714       if (!isa<SCEVConstant>(OrigReg) &&
3715           UsedByIndicesMap[Reg].count() == 1) {
3716         DEBUG(dbgs() << "Skipping cross-use reuse for " << *OrigReg << '\n');
3717         continue;
3718       }
3719
3720       // Conservatively examine offsets between this orig reg a few selected
3721       // other orig regs.
3722       ImmMapTy::const_iterator OtherImms[] = {
3723         Imms.begin(), std::prev(Imms.end()),
3724         Imms.lower_bound((Imms.begin()->first + std::prev(Imms.end())->first) /
3725                          2)
3726       };
3727       for (size_t i = 0, e = array_lengthof(OtherImms); i != e; ++i) {
3728         ImmMapTy::const_iterator M = OtherImms[i];
3729         if (M == J || M == JE) continue;
3730
3731         // Compute the difference between the two.
3732         int64_t Imm = (uint64_t)JImm - M->first;
3733         for (int LUIdx = UsedByIndices.find_first(); LUIdx != -1;
3734              LUIdx = UsedByIndices.find_next(LUIdx))
3735           // Make a memo of this use, offset, and register tuple.
3736           if (UniqueItems.insert(std::make_pair(LUIdx, Imm)).second)
3737             WorkItems.push_back(WorkItem(LUIdx, Imm, OrigReg));
3738       }
3739     }
3740   }
3741
3742   Map.clear();
3743   Sequence.clear();
3744   UsedByIndicesMap.clear();
3745   UniqueItems.clear();
3746
3747   // Now iterate through the worklist and add new formulae.
3748   for (const WorkItem &WI : WorkItems) {
3749     size_t LUIdx = WI.LUIdx;
3750     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3751     int64_t Imm = WI.Imm;
3752     const SCEV *OrigReg = WI.OrigReg;
3753
3754     Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(OrigReg->getType());
3755     const SCEV *NegImmS = SE.getSCEV(ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Imm));
3756     unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(IntTy);
3757
3758     // TODO: Use a more targeted data structure.
3759     for (size_t L = 0, LE = LU.Formulae.size(); L != LE; ++L) {
3760       Formula F = LU.Formulae[L];
3761       // FIXME: The code for the scaled and unscaled registers looks
3762       // very similar but slightly different. Investigate if they
3763       // could be merged. That way, we would not have to unscale the
3764       // Formula.
3765       F.unscale();
3766       // Use the immediate in the scaled register.
3767       if (F.ScaledReg == OrigReg) {
3768         int64_t Offset = (uint64_t)F.BaseOffset + Imm * (uint64_t)F.Scale;
3769         // Don't create 50 + reg(-50).
3770         if (F.referencesReg(SE.getSCEV(
3771                    ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offset))))
3772           continue;
3773         Formula NewF = F;
3774         NewF.BaseOffset = Offset;
3775         if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy,
3776                         NewF))
3777           continue;
3778         NewF.ScaledReg = SE.getAddExpr(NegImmS, NewF.ScaledReg);
3779
3780         // If the new scale is a constant in a register, and adding the constant
3781         // value to the immediate would produce a value closer to zero than the
3782         // immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3783         if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewF.ScaledReg))
3784           if (C->getValue()->isNegative() !=
3785                 (NewF.BaseOffset < 0) &&
3786               (C->getValue()->getValue().abs() * APInt(BitWidth, F.Scale))
3787                 .ule(std::abs(NewF.BaseOffset)))
3788             continue;
3789
3790         // OK, looks good.
3791         NewF.canonicalize();
3792         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3793       } else {
3794         // Use the immediate in a base register.
3795         for (size_t N = 0, NE = F.BaseRegs.size(); N != NE; ++N) {
3796           const SCEV *BaseReg = F.BaseRegs[N];
3797           if (BaseReg != OrigReg)
3798             continue;
3799           Formula NewF = F;
3800           NewF.BaseOffset = (uint64_t)NewF.BaseOffset + Imm;
3801           if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3802                           LU.Kind, LU.AccessTy, NewF)) {
3803             if (!TTI.isLegalAddImmediate((uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm))
3804               continue;
3805             NewF = F;
3806             NewF.UnfoldedOffset = (uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm;
3807           }
3808           NewF.BaseRegs[N] = SE.getAddExpr(NegImmS, BaseReg);
3809
3810           // If the new formula has a constant in a register, and adding the
3811           // constant value to the immediate would produce a value closer to
3812           // zero than the immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3813           for (const SCEV *NewReg : NewF.BaseRegs)
3814             if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewReg))
3815               if ((C->getValue()->getValue() + NewF.BaseOffset).abs().slt(
3816                    std::abs(NewF.BaseOffset)) &&
3817                   (C->getValue()->getValue() +
3818                    NewF.BaseOffset).countTrailingZeros() >=
3819                    countTrailingZeros<uint64_t>(NewF.BaseOffset))
3820                 goto skip_formula;
3821
3822           // Ok, looks good.
3823           NewF.canonicalize();
3824           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3825           break;
3826         skip_formula:;
3827         }
3828       }
3829     }
3830   }
3831 }
3832
3833 /// Generate formulae for each use.
3834 void
3835 LSRInstance::GenerateAllReuseFormulae() {
3836   // This is split into multiple loops so that hasRegsUsedByUsesOtherThan
3837   // queries are more precise.
3838   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3839     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3840     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3841       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3842     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3843       GenerateCombinations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3844   }
3845   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3846     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3847     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3848       GenerateSymbolicOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3849     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3850       GenerateConstantOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3851     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3852       GenerateICmpZeroScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3853     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3854       GenerateScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3855   }
3856   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3857     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3858     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3859       GenerateTruncates(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3860   }
3861
3862   GenerateCrossUseConstantOffsets();
3863
3864   DEBUG(dbgs() << "\n"
3865                   "After generating reuse formulae:\n";
3866         print_uses(dbgs()));
3867 }
3868
3869 /// If there are multiple formulae with the same set of registers used
3870 /// by other uses, pick the best one and delete the others.
3871 void LSRInstance::FilterOutUndesirableDedicatedRegisters() {
3872   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
3873   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> Regs;
3874   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> LoserRegs;
3875 #ifndef NDEBUG
3876   bool ChangedFormulae = false;
3877 #endif
3878
3879   // Collect the best formula for each unique set of shared registers. This
3880   // is reset for each use.
3881   typedef DenseMap<SmallVector<const SCEV *, 4>, size_t, UniquifierDenseMapInfo>
3882     BestFormulaeTy;
3883   BestFormulaeTy BestFormulae;
3884
3885   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3886     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3887     DEBUG(dbgs() << "Filtering for use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3888
3889     bool Any = false;
3890     for (size_t FIdx = 0, NumForms = LU.Formulae.size();
3891          FIdx != NumForms; ++FIdx) {
3892       Formula &F = LU.Formulae[FIdx];
3893
3894       // Some formulas are instant losers. For example, they may depend on
3895       // nonexistent AddRecs from other loops. These need to be filtered
3896       // immediately, otherwise heuristics could choose them over others leading
3897       // to an unsatisfactory solution. Passing LoserRegs into RateFormula here
3898       // avoids the need to recompute this information across formulae using the
3899       // same bad AddRec. Passing LoserRegs is also essential unless we remove
3900       // the corresponding bad register from the Regs set.
3901       Cost CostF;
3902       Regs.clear();
3903       CostF.RateFormula(TTI, F, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT, LU,
3904                         &LoserRegs);
3905       if (CostF.isLoser()) {
3906         // During initial formula generation, undesirable formulae are generated
3907         // by uses within other loops that have some non-trivial address mode or
3908         // use the postinc form of the IV. LSR needs to provide these formulae
3909         // as the basis of rediscovering the desired formula that uses an AddRec
3910         // corresponding to the existing phi. Once all formulae have been
3911         // generated, these initial losers may be pruned.
3912         DEBUG(dbgs() << "  Filtering loser "; F.print(dbgs());
3913               dbgs() << "\n");
3914       }
3915       else {
3916         SmallVector<const SCEV *, 4> Key;
3917         for (const SCEV *Reg : F.BaseRegs) {
3918           if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(Reg, LUIdx))
3919             Key.push_back(Reg);
3920         }
3921         if (F.ScaledReg &&
3922             RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(F.ScaledReg, LUIdx))
3923           Key.push_back(F.ScaledReg);
3924         // Unstable sort by host order ok, because this is only used for
3925         // uniquifying.
3926         std::sort(Key.begin(), Key.end());
3927
3928         std::pair<BestFormulaeTy::const_iterator, bool> P =
3929           BestFormulae.insert(std::make_pair(Key, FIdx));
3930         if (P.second)
3931           continue;
3932
3933         Formula &Best = LU.Formulae[P.first->second];
3934
3935         Cost CostBest;
3936         Regs.clear();
3937         CostBest.RateFormula(TTI, Best, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE,
3938                              DT, LU);
3939         if (CostF < CostBest)
3940           std::swap(F, Best);
3941         DEBUG(dbgs() << "  Filtering out formula "; F.print(dbgs());
3942               dbgs() << "\n"
3943                         "    in favor of formula "; Best.print(dbgs());
3944               dbgs() << '\n');
3945       }
3946 #ifndef NDEBUG
3947       ChangedFormulae = true;
3948 #endif
3949       LU.DeleteFormula(F);
3950       --FIdx;
3951       --NumForms;
3952       Any = true;
3953     }
3954
3955     // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
3956     if (Any)
3957       LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3958
3959     // Reset this to prepare for the next use.
3960     BestFormulae.clear();
3961   }
3962
3963   DEBUG(if (ChangedFormulae) {
3964           dbgs() << "\n"
3965                     "After filtering out undesirable candidates:\n";
3966           print_uses(dbgs());
3967         });
3968 }
3969
3970 // This is a rough guess that seems to work fairly well.
3971 static const size_t ComplexityLimit = UINT16_MAX;
3972
3973 /// Estimate the worst-case number of solutions the solver might have to
3974 /// consider. It almost never considers this many solutions because it prune the
3975 /// search space, but the pruning isn't always sufficient.
3976 size_t LSRInstance::EstimateSearchSpaceComplexity() const {
3977   size_t Power = 1;
3978   for (const LSRUse &LU : Uses) {
3979     size_t FSize = LU.Formulae.size();
3980     if (FSize >= ComplexityLimit) {
3981       Power = ComplexityLimit;
3982       break;
3983     }
3984     Power *= FSize;
3985     if (Power >= ComplexityLimit)
3986       break;
3987   }
3988   return Power;
3989 }
3990
3991 /// When one formula uses a superset of the registers of another formula, it
3992 /// won't help reduce register pressure (though it may not necessarily hurt
3993 /// register pressure); remove it to simplify the system.
3994 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets() {
3995   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3996     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3997
3998     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by eliminating formulae "
3999                     "which use a superset of registers used by other "
4000                     "formulae.\n");
4001
4002     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4003       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4004       bool Any = false;
4005       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
4006         Formula &F = LU.Formulae[i];
4007         // Look for a formula with a constant or GV in a register. If the use
4008         // also has a formula with that same value in an immediate field,
4009         // delete the one that uses a register.
4010         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
4011              I = F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
4012           if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*I)) {
4013             Formula NewF = F;
4014             NewF.BaseOffset += C->getValue()->getSExtValue();
4015             NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
4016                                 (I - F.BaseRegs.begin()));
4017             if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
4018               DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4019               LU.DeleteFormula(F);
4020               --i;
4021               --e;
4022               Any = true;
4023               break;
4024             }
4025           } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(*I)) {
4026             if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue()))
4027               if (!F.BaseGV) {
4028                 Formula NewF = F;
4029                 NewF.BaseGV = GV;
4030                 NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
4031                                     (I - F.BaseRegs.begin()));
4032                 if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
4033                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
4034                         dbgs() << '\n');
4035                   LU.DeleteFormula(F);
4036                   --i;
4037                   --e;
4038                   Any = true;
4039                   break;
4040                 }
4041               }
4042           }
4043         }
4044       }
4045       if (Any)
4046         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
4047     }
4048
4049     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
4050           print_uses(dbgs()));
4051   }
4052 }
4053
4054 /// When there are many registers for expressions like A, A+1, A+2, etc.,
4055 /// allocate a single register for them.
4056 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode() {
4057   if (EstimateSearchSpaceComplexity() < ComplexityLimit)
4058     return;
4059
4060   DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n"
4061                   "Narrowing the search space by assuming that uses separated "
4062                   "by a constant offset will use the same registers.\n");
4063
4064   // This is especially useful for unrolled loops.
4065
4066   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4067     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4068     for (const Formula &F : LU.Formulae) {
4069       if (F.BaseOffset == 0 || (F.Scale != 0 && F.Scale != 1))
4070         continue;
4071
4072       LSRUse *LUThatHas = FindUseWithSimilarFormula(F, LU);
4073       if (!LUThatHas)
4074         continue;
4075
4076       if (!reconcileNewOffset(*LUThatHas, F.BaseOffset, /*HasBaseReg=*/ false,
4077                               LU.Kind, LU.AccessTy))
4078         continue;
4079
4080       DEBUG(dbgs() << "  Deleting use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4081
4082       LUThatHas->AllFixupsOutsideLoop &= LU.AllFixupsOutsideLoop;
4083
4084       // Update the relocs to reference the new use.
4085       for (LSRFixup &Fixup : Fixups) {
4086         if (Fixup.LUIdx == LUIdx) {
4087           Fixup.LUIdx = LUThatHas - &Uses.front();
4088           Fixup.Offset += F.BaseOffset;
4089           // Add the new offset to LUThatHas' offset list.
4090           if (LUThatHas->Offsets.back() != Fixup.Offset) {
4091             LUThatHas->Offsets.push_back(Fixup.Offset);
4092             if (Fixup.Offset > LUThatHas->MaxOffset)
4093               LUThatHas->MaxOffset = Fixup.Offset;
4094             if (Fixup.Offset < LUThatHas->MinOffset)
4095               LUThatHas->MinOffset = Fixup.Offset;
4096           }
4097           DEBUG(dbgs() << "New fixup has offset " << Fixup.Offset << '\n');
4098         }
4099         if (Fixup.LUIdx == NumUses-1)
4100           Fixup.LUIdx = LUIdx;
4101       }
4102
4103       // Delete formulae from the new use which are no longer legal.
4104       bool Any = false;
4105       for (size_t i = 0, e = LUThatHas->Formulae.size(); i != e; ++i) {
4106         Formula &F = LUThatHas->Formulae[i];
4107         if (!isLegalUse(TTI, LUThatHas->MinOffset, LUThatHas->MaxOffset,
4108                         LUThatHas->Kind, LUThatHas->AccessTy, F)) {
4109           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
4110                 dbgs() << '\n');
4111           LUThatHas->DeleteFormula(F);
4112           --i;
4113           --e;
4114           Any = true;
4115         }
4116       }
4117
4118       if (Any)
4119         LUThatHas->RecomputeRegs(LUThatHas - &Uses.front(), RegUses);
4120
4121       // Delete the old use.
4122       DeleteUse(LU, LUIdx);
4123       --LUIdx;
4124       --NumUses;
4125       break;
4126     }
4127   }
4128
4129   DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n"; print_uses(dbgs()));
4130 }
4131
4132 /// Call FilterOutUndesirableDedicatedRegisters again, if necessary, now that
4133 /// we've done more filtering, as it may be able to find more formulae to
4134 /// eliminate.
4135 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters(){
4136   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
4137     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
4138
4139     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by re-filtering out "
4140                     "undesirable dedicated registers.\n");
4141
4142     FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
4143
4144     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
4145           print_uses(dbgs()));
4146   }
4147 }
4148
4149 /// Pick a register which seems likely to be profitable, and then in any use
4150 /// which has any reference to that register, delete all formulae which do not
4151 /// reference that register.
4152 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs() {
4153   // With all other options exhausted, loop until the system is simple
4154   // enough to handle.
4155   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Taken;
4156   while (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
4157     // Ok, we have too many of formulae on our hands to conveniently handle.
4158     // Use a rough heuristic to thin out the list.
4159     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
4160
4161     // Pick the register which is used by the most LSRUses, which is likely
4162     // to be a good reuse register candidate.
4163     const SCEV *Best = nullptr;
4164     unsigned BestNum = 0;
4165     for (const SCEV *Reg : RegUses) {
4166       if (Taken.count(Reg))
4167         continue;
4168       if (!Best)
4169         Best = Reg;
4170       else {
4171         unsigned Count = RegUses.getUsedByIndices(Reg).count();
4172         if (Count > BestNum) {
4173           Best = Reg;
4174           BestNum = Count;
4175         }
4176       }
4177     }
4178
4179     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming " << *Best
4180                  << " will yield profitable reuse.\n");
4181     Taken.insert(Best);
4182
4183     // In any use with formulae which references this register, delete formulae
4184     // which don't reference it.
4185     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4186       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4187       if (!LU.Regs.count(Best)) continue;
4188
4189       bool Any = false;
4190       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
4191         Formula &F = LU.Formulae[i];
4192         if (!F.referencesReg(Best)) {
4193           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4194           LU.DeleteFormula(F);
4195           --e;
4196           --i;
4197           Any = true;
4198           assert(e != 0 && "Use has no formulae left! Is Regs inconsistent?");
4199           continue;
4200         }
4201       }
4202
4203       if (Any)
4204         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
4205     }
4206
4207     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
4208           print_uses(dbgs()));
4209   }
4210 }
4211
4212 /// If there are an extraordinary number of formulae to choose from, use some
4213 /// rough heuristics to prune down the number of formulae. This keeps the main
4214 /// solver from taking an extraordinary amount of time in some worst-case
4215 /// scenarios.
4216 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceUsingHeuristics() {
4217   NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
4218   NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
4219   NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
4220   NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
4221 }
4222
4223 /// This is the recursive solver.
4224 void LSRInstance::SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
4225                                Cost &SolutionCost,
4226                                SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
4227                                const Cost &CurCost,
4228                                const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
4229                                DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const {
4230   // Some ideas:
4231   //  - prune more:
4232   //    - use more aggressive filtering
4233   //    - sort the formula so that the most profitable solutions are found first
4234   //    - sort the uses too
4235   //  - search faster:
4236   //    - don't compute a cost, and then compare. compare while computing a cost
4237   //      and bail early.
4238   //    - track register sets with SmallBitVector
4239
4240   const LSRUse &LU = Uses[Workspace.size()];
4241
4242   // If this use references any register that's already a part of the
4243   // in-progress solution, consider it a requirement that a formula must
4244   // reference that register in order to be considered. This prunes out
4245   // unprofitable searching.
4246   SmallSetVector<const SCEV *, 4> ReqRegs;
4247   for (const SCEV *S : CurRegs)
4248     if (LU.Regs.count(S))
4249       ReqRegs.insert(S);
4250
4251   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> NewRegs;
4252   Cost NewCost;
4253   for (const Formula &F : LU.Formulae) {
4254     // Ignore formulae which may not be ideal in terms of register reuse of
4255     // ReqRegs.  The formula should use all required registers before
4256     // introducing new ones.
4257     int NumReqRegsToFind = std::min(F.getNumRegs(), ReqRegs.size());
4258     for (const SCEV *Reg : ReqRegs) {
4259       if ((F.ScaledReg && F.ScaledReg == Reg) ||
4260           std::find(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end(), Reg) !=
4261           F.BaseRegs.end()) {
4262         --NumReqRegsToFind;
4263         if (NumReqRegsToFind == 0)
4264           break;
4265       }
4266     }
4267     if (NumReqRegsToFind != 0) {
4268       // If none of the formulae satisfied the required registers, then we could
4269       // clear ReqRegs and try again. Currently, we simply give up in this case.
4270       continue;
4271     }
4272
4273     // Evaluate the cost of the current formula. If it's already worse than
4274     // the current best, prune the search at that point.
4275     NewCost = CurCost;
4276     NewRegs = CurRegs;
4277     NewCost.RateFormula(TTI, F, NewRegs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT,
4278                         LU);
4279     if (NewCost < SolutionCost) {
4280       Workspace.push_back(&F);
4281       if (Workspace.size() != Uses.size()) {
4282         SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, NewCost,
4283                      NewRegs, VisitedRegs);
4284         if (F.getNumRegs() == 1 && Workspace.size() == 1)
4285           VisitedRegs.insert(F.ScaledReg ? F.ScaledReg : F.BaseRegs[0]);
4286       } else {
4287         DEBUG(dbgs() << "New best at "; NewCost.print(dbgs());
4288               dbgs() << ".\n Regs:";
4289               for (const SCEV *S : NewRegs)
4290                 dbgs() << ' ' << *S;
4291               dbgs() << '\n');
4292
4293         SolutionCost = NewCost;
4294         Solution = Workspace;
4295       }
4296       Workspace.pop_back();
4297     }
4298   }
4299 }
4300
4301 /// Choose one formula from each use. Return the results in the given Solution
4302 /// vector.
4303 void LSRInstance::Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const {
4304   SmallVector<const Formula *, 8> Workspace;
4305   Cost SolutionCost;
4306   SolutionCost.Lose();
4307   Cost CurCost;
4308   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> CurRegs;
4309   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
4310   Workspace.reserve(Uses.size());
4311
4312   // SolveRecurse does all the work.
4313   SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, CurCost,
4314                CurRegs, VisitedRegs);
4315   if (Solution.empty()) {
4316     DEBUG(dbgs() << "\nNo Satisfactory Solution\n");
4317     return;
4318   }
4319
4320   // Ok, we've now made all our decisions.
4321   DEBUG(dbgs() << "\n"
4322                   "The chosen solution requires "; SolutionCost.print(dbgs());
4323         dbgs() << ":\n";
4324         for (size_t i = 0, e = Uses.size(); i != e; ++i) {
4325           dbgs() << "  ";
4326           Uses[i].print(dbgs());
4327           dbgs() << "\n"
4328                     "    ";
4329           Solution[i]->print(dbgs());
4330           dbgs() << '\n';
4331         });
4332
4333   assert(Solution.size() == Uses.size() && "Malformed solution!");
4334 }
4335
4336 /// Helper for AdjustInsertPositionForExpand. Climb up the dominator tree far as
4337 /// we can go while still being dominated by the input positions. This helps
4338 /// canonicalize the insert position, which encourages sharing.
4339 BasicBlock::iterator
4340 LSRInstance::HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
4341                                  const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs)
4342                                                                          const {
4343   for (;;) {
4344     const Loop *IPLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
4345     unsigned IPLoopDepth = IPLoop ? IPLoop->getLoopDepth() : 0;
4346
4347     BasicBlock *IDom;
4348     for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(IP->getParent()); ; ) {
4349       if (!Rung) return IP;
4350       Rung = Rung->getIDom();
4351       if (!Rung) return IP;
4352       IDom = Rung->getBlock();
4353
4354       // Don't climb into a loop though.
4355       const Loop *IDomLoop = LI.getLoopFor(IDom);
4356       unsigned IDomDepth = IDomLoop ? IDomLoop->getLoopDepth() : 0;
4357       if (IDomDepth <= IPLoopDepth &&
4358           (IDomDepth != IPLoopDepth || IDomLoop == IPLoop))
4359         break;
4360     }
4361
4362     bool AllDominate = true;
4363     Instruction *BetterPos = nullptr;
4364     Instruction *Tentative = IDom->getTerminator();
4365     for (Instruction *Inst : Inputs) {
4366       if (Inst == Tentative || !DT.dominates(Inst, Tentative)) {
4367         AllDominate = false;
4368         break;
4369       }
4370       // Attempt to find an insert position in the middle of the block,
4371       // instead of at the end, so that it can be used for other expansions.
4372       if (IDom == Inst->getParent() &&
4373           (!BetterPos || !DT.dominates(Inst, BetterPos)))
4374         BetterPos = &*std::next(BasicBlock::iterator(Inst));
4375     }
4376     if (!AllDominate)
4377       break;
4378     if (BetterPos)
4379       IP = BetterPos->getIterator();
4380     else
4381       IP = Tentative->getIterator();
4382   }
4383
4384   return IP;
4385 }
4386
4387 /// Determine an input position which will be dominated by the operands and
4388 /// which will dominate the result.
4389 BasicBlock::iterator
4390 LSRInstance::AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator LowestIP,
4391                                            const LSRFixup &LF,
4392                                            const LSRUse &LU,
4393                                            SCEVExpander &Rewriter) const {
4394   // Collect some instructions which must be dominated by the
4395   // expanding replacement. These must be dominated by any operands that
4396   // will be required in the expansion.
4397   SmallVector<Instruction *, 4> Inputs;
4398   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(LF.OperandValToReplace))
4399     Inputs.push_back(I);
4400   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero)
4401     if (Instruction *I =
4402           dyn_cast<Instruction>(cast<ICmpInst>(LF.UserInst)->getOperand(1)))
4403       Inputs.push_back(I);
4404   if (LF.PostIncLoops.count(L)) {
4405     if (LF.isUseFullyOutsideLoop(L))
4406       Inputs.push_back(L->getLoopLatch()->getTerminator());
4407     else
4408       Inputs.push_back(IVIncInsertPos);
4409   }
4410   // The expansion must also be dominated by the increment positions of any
4411   // loops it for which it is using post-inc mode.
4412   for (const Loop *PIL : LF.PostIncLoops) {
4413     if (PIL == L) continue;
4414
4415     // Be dominated by the loop exit.
4416     SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
4417     PIL->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
4418     if (!ExitingBlocks.empty()) {
4419       BasicBlock *BB = ExitingBlocks[0];
4420       for (unsigned i = 1, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i)
4421         BB = DT.findNearestCommonDominator(BB, ExitingBlocks[i]);
4422       Inputs.push_back(BB->getTerminator());
4423     }
4424   }
4425
4426   assert(!isa<PHINode>(LowestIP) && !LowestIP->isEHPad()
4427          && !isa<DbgInfoIntrinsic>(LowestIP) &&
4428          "Insertion point must be a normal instruction");
4429
4430   // Then, climb up the immediate dominator tree as far as we can go while
4431   // still being dominated by the input positions.
4432   BasicBlock::iterator IP = HoistInsertPosition(LowestIP, Inputs);
4433
4434   // Don't insert instructions before PHI nodes.
4435   while (isa<PHINode>(IP)) ++IP;
4436
4437   // Ignore landingpad instructions.
4438   while (!isa<TerminatorInst>(IP) && IP->isEHPad()) ++IP;
4439
4440   // Ignore debug intrinsics.
4441   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP)) ++IP;
4442
4443   // Set IP below instructions recently inserted by SCEVExpander. This keeps the
4444   // IP consistent across expansions and allows the previously inserted
4445   // instructions to be reused by subsequent expansion.
4446   while (Rewriter.isInsertedInstruction(&*IP) && IP != LowestIP)
4447     ++IP;
4448
4449   return IP;
4450 }
4451
4452 /// Emit instructions for the leading candidate expression for this LSRUse (this
4453 /// is called "expanding").
4454 Value *LSRInstance::Expand(const LSRFixup &LF,
4455                            const Formula &F,
4456                            BasicBlock::iterator IP,
4457                            SCEVExpander &Rewriter,
4458                            SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const {
4459   const LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
4460   if (LU.RigidFormula)
4461     return LF.OperandValToReplace;
4462
4463   // Determine an input position which will be dominated by the operands and
4464   // which will dominate the result.
4465   IP = AdjustInsertPositionForExpand(IP, LF, LU, Rewriter);
4466
4467   // Inform the Rewriter if we have a post-increment use, so that it can
4468   // perform an advantageous expansion.
4469   Rewriter.setPostInc(LF.PostIncLoops);
4470
4471   // This is the type that the user actually needs.
4472   Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4473   // This will be the type that we'll initially expand to.
4474   Type *Ty = F.getType();
4475   if (!Ty)
4476     // No type known; just expand directly to the ultimate type.
4477     Ty = OpTy;
4478   else if (SE.getEffectiveSCEVType(Ty) == SE.getEffectiveSCEVType(OpTy))
4479     // Expand directly to the ultimate type if it's the right size.
4480     Ty = OpTy;
4481   // This is the type to do integer arithmetic in.
4482   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
4483
4484   // Build up a list of operands to add together to form the full base.
4485   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
4486
4487   // Expand the BaseRegs portion.
4488   for (const SCEV *Reg : F.BaseRegs) {
4489     assert(!Reg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
4490
4491     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4492     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4493     Reg = TransformForPostIncUse(Denormalize, Reg,
4494                                  LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4495                                  Loops, SE, DT);
4496
4497     Ops.push_back(SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(Reg, nullptr, &*IP)));
4498   }
4499
4500   // Expand the ScaledReg portion.
4501   Value *ICmpScaledV = nullptr;
4502   if (F.Scale != 0) {
4503     const SCEV *ScaledS = F.ScaledReg;
4504
4505     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4506     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4507     ScaledS = TransformForPostIncUse(Denormalize, ScaledS,
4508                                      LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4509                                      Loops, SE, DT);
4510
4511     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4512       // Expand ScaleReg as if it was part of the base regs.
4513       if (F.Scale == 1)
4514         Ops.push_back(
4515             SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, nullptr, &*IP)));
4516       else {
4517         // An interesting way of "folding" with an icmp is to use a negated
4518         // scale, which we'll implement by inserting it into the other operand
4519         // of the icmp.
4520         assert(F.Scale == -1 &&
4521                "The only scale supported by ICmpZero uses is -1!");
4522         ICmpScaledV = Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, nullptr, &*IP);
4523       }
4524     } else {
4525       // Otherwise just expand the scaled register and an explicit scale,
4526       // which is expected to be matched as part of the address.
4527
4528       // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting address modes.
4529       // Unless the addressing mode will not be folded.
4530       if (!Ops.empty() && LU.Kind == LSRUse::Address &&
4531           isAMCompletelyFolded(TTI, LU, F)) {
4532         Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, &*IP);
4533         Ops.clear();
4534         Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4535       }
4536       ScaledS = SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, nullptr, &*IP));
4537       if (F.Scale != 1)
4538         ScaledS =
4539             SE.getMulExpr(ScaledS, SE.getConstant(ScaledS->getType(), F.Scale));
4540       Ops.push_back(ScaledS);
4541     }
4542   }
4543
4544   // Expand the GV portion.
4545   if (F.BaseGV) {
4546     // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4547     if (!Ops.empty()) {
4548       Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, &*IP);
4549       Ops.clear();
4550       Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4551     }
4552     Ops.push_back(SE.getUnknown(F.BaseGV));
4553   }
4554
4555   // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting of both folded and
4556   // unfolded offsets. LSR assumes they both live next to their uses.
4557   if (!Ops.empty()) {
4558     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, &*IP);
4559     Ops.clear();
4560     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4561   }
4562
4563   // Expand the immediate portion.
4564   int64_t Offset = (uint64_t)F.BaseOffset + LF.Offset;
4565   if (Offset != 0) {
4566     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4567       // The other interesting way of "folding" with an ICmpZero is to use a
4568       // negated immediate.
4569       if (!ICmpScaledV)
4570         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offset);
4571       else {
4572         Ops.push_back(SE.getUnknown(ICmpScaledV));
4573         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, Offset);
4574       }
4575     } else {
4576       // Just add the immediate values. These again are expected to be matched
4577       // as part of the address.
4578       Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy, Offset)));
4579     }
4580   }
4581
4582   // Expand the unfolded offset portion.
4583   int64_t UnfoldedOffset = F.UnfoldedOffset;
4584   if (UnfoldedOffset != 0) {
4585     // Just add the immediate values.
4586     Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy,
4587                                                        UnfoldedOffset)));
4588   }
4589
4590   // Emit instructions summing all the operands.
4591   const SCEV *FullS = Ops.empty() ?
4592                       SE.getConstant(IntTy, 0) :
4593                       SE.getAddExpr(Ops);
4594   Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(FullS, Ty, &*IP);
4595
4596   // We're done expanding now, so reset the rewriter.
4597   Rewriter.clearPostInc();
4598
4599   // An ICmpZero Formula represents an ICmp which we're handling as a
4600   // comparison against zero. Now that we've expanded an expression for that
4601   // form, update the ICmp's other operand.
4602   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4603     ICmpInst *CI = cast<ICmpInst>(LF.UserInst);
4604     DeadInsts.emplace_back(CI->getOperand(1));
4605     assert(!F.BaseGV && "ICmp does not support folding a global value and "
4606                            "a scale at the same time!");
4607     if (F.Scale == -1) {
4608       if (ICmpScaledV->getType() != OpTy) {
4609         Instruction *Cast =
4610           CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(ICmpScaledV, false,
4611                                                    OpTy, false),
4612                            ICmpScaledV, OpTy, "tmp", CI);
4613         ICmpScaledV = Cast;
4614       }
4615       CI->setOperand(1, ICmpScaledV);
4616     } else {
4617       // A scale of 1 means that the scale has been expanded as part of the
4618       // base regs.
4619       assert((F.Scale == 0 || F.Scale == 1) &&
4620              "ICmp does not support folding a global value and "
4621              "a scale at the same time!");
4622       Constant *C = ConstantInt::getSigned(SE.getEffectiveSCEVType(OpTy),
4623                                            -(uint64_t)Offset);
4624       if (C->getType() != OpTy)
4625         C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
4626                                                           OpTy, false),
4627                                   C, OpTy);
4628
4629       CI->setOperand(1, C);
4630     }
4631   }
4632
4633   return FullV;
4634 }
4635
4636 /// Helper for Rewrite. PHI nodes are special because the use of their operands
4637 /// effectively happens in their predecessor blocks, so the expression may need
4638 /// to be expanded in multiple places.
4639 void LSRInstance::RewriteForPHI(PHINode *PN,
4640                                 const LSRFixup &LF,
4641                                 const Formula &F,
4642                                 SCEVExpander &Rewriter,
4643                                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4644                                 Pass *P) const {
4645   DenseMap<BasicBlock *, Value *> Inserted;
4646   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
4647     if (PN->getIncomingValue(i) == LF.OperandValToReplace) {
4648       BasicBlock *BB = PN->getIncomingBlock(i);
4649
4650       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
4651       // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
4652       // is the canonical backedge for this loop, which complicates post-inc
4653       // users.
4654       if (e != 1 && BB->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
4655           !isa<IndirectBrInst>(BB->getTerminator())) {
4656         BasicBlock *Parent = PN->getParent();
4657         Loop *PNLoop = LI.getLoopFor(Parent);
4658         if (!PNLoop || Parent != PNLoop->getHeader()) {
4659           // Split the critical edge.
4660           BasicBlock *NewBB = nullptr;
4661           if (!Parent->isLandingPad()) {
4662             NewBB = SplitCriticalEdge(BB, Parent,
4663                                       CriticalEdgeSplittingOptions(&DT, &LI)
4664                                           .setMergeIdenticalEdges()
4665                                           .setDontDeleteUselessPHIs());
4666           } else {
4667             SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
4668             SplitLandingPadPredecessors(Parent, BB, "", "", NewBBs, &DT, &LI);
4669             NewBB = NewBBs[0];
4670           }
4671           // If NewBB==NULL, then SplitCriticalEdge refused to split because all
4672           // phi predecessors are identical. The simple thing to do is skip
4673           // splitting in this case rather than complicate the API.
4674           if (NewBB) {
4675             // If PN is outside of the loop and BB is in the loop, we want to
4676             // move the block to be immediately before the PHI block, not
4677             // immediately after BB.
4678             if (L->contains(BB) && !L->contains(PN))
4679               NewBB->moveBefore(PN->getParent());
4680
4681             // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
4682             e = PN->getNumIncomingValues();
4683             BB = NewBB;
4684             i = PN->getBasicBlockIndex(BB);
4685           }
4686         }
4687       }
4688
4689       std::pair<DenseMap<BasicBlock *, Value *>::iterator, bool> Pair =
4690         Inserted.insert(std::make_pair(BB, static_cast<Value *>(nullptr)));
4691       if (!Pair.second)
4692         PN->setIncomingValue(i, Pair.first->second);
4693       else {
4694         Value *FullV = Expand(LF, F, BB->getTerminator()->getIterator(),
4695                               Rewriter, DeadInsts);
4696
4697         // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4698         Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4699         if (FullV->getType() != OpTy)
4700           FullV =
4701             CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false,
4702                                                      OpTy, false),
4703                              FullV, LF.OperandValToReplace->getType(),
4704                              "tmp", BB->getTerminator());
4705
4706         PN->setIncomingValue(i, FullV);
4707         Pair.first->second = FullV;
4708       }
4709     }
4710 }
4711
4712 /// Emit instructions for the leading candidate expression for this LSRUse (this
4713 /// is called "expanding"), and update the UserInst to reference the newly
4714 /// expanded value.
4715 void LSRInstance::Rewrite(const LSRFixup &LF,
4716                           const Formula &F,
4717                           SCEVExpander &Rewriter,
4718                           SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4719                           Pass *P) const {
4720   // First, find an insertion point that dominates UserInst. For PHI nodes,
4721   // find the nearest block which dominates all the relevant uses.
4722   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(LF.UserInst)) {
4723     RewriteForPHI(PN, LF, F, Rewriter, DeadInsts, P);
4724   } else {
4725     Value *FullV =
4726         Expand(LF, F, LF.UserInst->getIterator(), Rewriter, DeadInsts);
4727
4728     // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4729     Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4730     if (FullV->getType() != OpTy) {
4731       Instruction *Cast =
4732         CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false, OpTy, false),
4733                          FullV, OpTy, "tmp", LF.UserInst);
4734       FullV = Cast;
4735     }
4736
4737     // Update the user. ICmpZero is handled specially here (for now) because
4738     // Expand may have updated one of the operands of the icmp already, and
4739     // its new value may happen to be equal to LF.OperandValToReplace, in
4740     // which case doing replaceUsesOfWith leads to replacing both operands
4741     // with the same value. TODO: Reorganize this.
4742     if (Uses[LF.LUIdx].Kind == LSRUse::ICmpZero)
4743       LF.UserInst->setOperand(0, FullV);
4744     else
4745       LF.UserInst->replaceUsesOfWith(LF.OperandValToReplace, FullV);
4746   }
4747
4748   DeadInsts.emplace_back(LF.OperandValToReplace);
4749 }
4750
4751 /// Rewrite all the fixup locations with new values, following the chosen
4752 /// solution.
4753 void
4754 LSRInstance::ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
4755                                Pass *P) {
4756   // Keep track of instructions we may have made dead, so that
4757   // we can remove them after we are done working.
4758   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
4759
4760   SCEVExpander Rewriter(SE, L->getHeader()->getModule()->getDataLayout(),
4761                         "lsr");
4762 #ifndef NDEBUG
4763   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
4764 #endif
4765   Rewriter.disableCanonicalMode();
4766   Rewriter.enableLSRMode();
4767   Rewriter.setIVIncInsertPos(L, IVIncInsertPos);
4768
4769   // Mark phi nodes that terminate chains so the expander tries to reuse them.
4770   for (const IVChain &Chain : IVChainVec) {
4771     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Chain.tailUserInst()))
4772       Rewriter.setChainedPhi(PN);
4773   }
4774
4775   // Expand the new value definitions and update the users.
4776   for (const LSRFixup &Fixup : Fixups) {
4777     Rewrite(Fixup, *Solution[Fixup.LUIdx], Rewriter, DeadInsts, P);
4778
4779     Changed = true;
4780   }
4781
4782   for (const IVChain &Chain : IVChainVec) {
4783     GenerateIVChain(Chain, Rewriter, DeadInsts);
4784     Changed = true;
4785   }
4786   // Clean up after ourselves. This must be done before deleting any
4787   // instructions.
4788   Rewriter.clear();
4789
4790   Changed |= DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
4791 }
4792
4793 LSRInstance::LSRInstance(Loop *L, Pass *P)
4794     : IU(P->getAnalysis<IVUsers>()),
4795       SE(P->getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE()),
4796       DT(P->getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree()),
4797       LI(P->getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo()),
4798       TTI(P->getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
4799           *L->getHeader()->getParent())),
4800       L(L), Changed(false), IVIncInsertPos(nullptr) {
4801   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble.
4802   if (!L->isLoopSimplifyForm())
4803     return;
4804
4805   // If there's no interesting work to be done, bail early.
4806   if (IU.empty()) return;
4807
4808   // If there's too much analysis to be done, bail early. We won't be able to
4809   // model the problem anyway.
4810   unsigned NumUsers = 0;
4811   for (const IVStrideUse &U : IU) {
4812     if (++NumUsers > MaxIVUsers) {
4813       (void)U;
4814       DEBUG(dbgs() << "LSR skipping loop, too many IV Users in " << U << "\n");
4815       return;
4816     }
4817   }
4818
4819 #ifndef NDEBUG
4820   // All dominating loops must have preheaders, or SCEVExpander may not be able
4821   // to materialize an AddRecExpr whose Start is an outer AddRecExpr.
4822   //
4823   // IVUsers analysis should only create users that are dominated by simple loop
4824   // headers. Since this loop should dominate all of its users, its user list
4825   // should be empty if this loop itself is not within a simple loop nest.
4826   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopPreheader());
4827        Rung; Rung = Rung->getIDom()) {
4828     BasicBlock *BB = Rung->getBlock();
4829     const Loop *DomLoop = LI.getLoopFor(BB);
4830     if (DomLoop && DomLoop->getHeader() == BB) {
4831       assert(DomLoop->getLoopPreheader() && "LSR needs a simplified loop nest");
4832     }
4833   }
4834 #endif // DEBUG
4835
4836   DEBUG(dbgs() << "\nLSR on loop ";
4837         L->getHeader()->printAsOperand(dbgs(), /*PrintType=*/false);
4838         dbgs() << ":\n");
4839
4840   // First, perform some low-level loop optimizations.
4841   OptimizeShadowIV();
4842   OptimizeLoopTermCond();
4843
4844   // If loop preparation eliminates all interesting IV users, bail.
4845   if (IU.empty()) return;
4846
4847   // Skip nested loops until we can model them better with formulae.
4848   if (!L->empty()) {
4849     DEBUG(dbgs() << "LSR skipping outer loop " << *L << "\n");
4850     return;
4851   }
4852
4853   // Start collecting data and preparing for the solver.
4854   CollectChains();
4855   CollectInterestingTypesAndFactors();
4856   CollectFixupsAndInitialFormulae();
4857   CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
4858
4859   assert(!Uses.empty() && "IVUsers reported at least one use");
4860   DEBUG(dbgs() << "LSR found " << Uses.size() << " uses:\n";
4861         print_uses(dbgs()));
4862
4863   // Now use the reuse data to generate a bunch of interesting ways
4864   // to formulate the values needed for the uses.
4865   GenerateAllReuseFormulae();
4866
4867   FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
4868   NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
4869
4870   SmallVector<const Formula *, 8> Solution;
4871   Solve(Solution);
4872
4873   // Release memory that is no longer needed.
4874   Factors.clear();
4875   Types.clear();
4876   RegUses.clear();
4877
4878   if (Solution.empty())
4879     return;
4880
4881 #ifndef NDEBUG
4882   // Formulae should be legal.
4883   for (const LSRUse &LU : Uses) {
4884     for (const Formula &F : LU.Formulae)
4885       assert(isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy,
4886                         F) && "Illegal formula generated!");
4887   };
4888 #endif
4889
4890   // Now that we've decided what we want, make it so.
4891   ImplementSolution(Solution, P);
4892 }
4893
4894 void LSRInstance::print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const {
4895   if (Factors.empty() && Types.empty()) return;
4896
4897   OS << "LSR has identified the following interesting factors and types: ";
4898   bool First = true;
4899
4900   for (int64_t Factor : Factors) {
4901     if (!First) OS << ", ";
4902     First = false;
4903     OS << '*' << Factor;
4904   }
4905
4906   for (Type *Ty : Types) {
4907     if (!First) OS << ", ";
4908     First = false;
4909     OS << '(' << *Ty << ')';
4910   }
4911   OS << '\n';
4912 }
4913
4914 void LSRInstance::print_fixups(raw_ostream &OS) const {
4915   OS << "LSR is examining the following fixup sites:\n";
4916   for (const LSRFixup &LF : Fixups) {
4917     dbgs() << "  ";
4918     LF.print(OS);
4919     OS << '\n';
4920   }
4921 }
4922
4923 void LSRInstance::print_uses(raw_ostream &OS) const {
4924   OS << "LSR is examining the following uses:\n";
4925   for (const LSRUse &LU : Uses) {
4926     dbgs() << "  ";
4927     LU.print(OS);
4928     OS << '\n';
4929     for (const Formula &F : LU.Formulae) {
4930       OS << "    ";
4931       F.print(OS);
4932       OS << '\n';
4933     }
4934   }
4935 }
4936
4937 void LSRInstance::print(raw_ostream &OS) const {
4938   print_factors_and_types(OS);
4939   print_fixups(OS);
4940   print_uses(OS);
4941 }
4942
4943 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
4944 void LSRInstance::dump() const {
4945   print(errs()); errs() << '\n';
4946 }
4947 #endif
4948
4949 namespace {
4950
4951 class LoopStrengthReduce : public LoopPass {
4952 public:
4953   static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
4954   LoopStrengthReduce();
4955
4956 private:
4957   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
4958   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
4959 };
4960
4961 }
4962
4963 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
4964 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4965                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4966 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
4967 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
4968 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
4969 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
4970 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
4971 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
4972 INITIALIZE_PASS_END(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4973                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4974
4975
4976 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass() {
4977   return new LoopStrengthReduce();
4978 }
4979
4980 LoopStrengthReduce::LoopStrengthReduce() : LoopPass(ID) {
4981   initializeLoopStrengthReducePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
4982 }
4983
4984 void LoopStrengthReduce::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
4985   // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
4986   // many analyses if they are around.
4987   AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
4988
4989   AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
4990   AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
4991   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4992   AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
4993   AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
4994   AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
4995   AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
4996   // Requiring LoopSimplify a second time here prevents IVUsers from running
4997   // twice, since LoopSimplify was invalidated by running ScalarEvolution.
4998   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4999   AU.addRequired<IVUsers>();
5000   AU.addPreserved<IVUsers>();
5001   AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
5002 }
5003
5004 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager & /*LPM*/) {
5005   if (skipOptnoneFunction(L))
5006     return false;
5007
5008   bool Changed = false;
5009
5010   // Run the main LSR transformation.
5011   Changed |= LSRInstance(L, this).getChanged();
5012
5013   // Remove any extra phis created by processing inner loops.
5014   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
5015   if (EnablePhiElim && L->isLoopSimplifyForm()) {
5016     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
5017     const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
5018     SCEVExpander Rewriter(getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE(), DL,
5019                           "lsr");
5020 #ifndef NDEBUG
5021     Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
5022 #endif
5023     unsigned numFolded = Rewriter.replaceCongruentIVs(
5024         L, &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree(), DeadInsts,
5025         &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
5026             *L->getHeader()->getParent()));
5027     if (numFolded) {
5028       Changed = true;
5029       DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
5030       DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
5031     }
5032   }
5033   return Changed;
5034 }