LSR fix: "Special" users are just like "Basic" users but allow -1 scale.
[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 TargetLowering::AddrMode::BaseGV be changed to a ConstantExpr
41 //       instead 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 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
57 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
58 #include "llvm/Constants.h"
59 #include "llvm/Instructions.h"
60 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
61 #include "llvm/DerivedTypes.h"
62 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
63 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
64 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
65 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
66 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
67 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
68 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
69 #include "llvm/ADT/SmallBitVector.h"
70 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
71 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
72 #include "llvm/Support/Debug.h"
73 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
74 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
75 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
76 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
77 #include <algorithm>
78 using namespace llvm;
79
80 /// MaxIVUsers is an arbitrary threshold that provides an early opportunitiy for
81 /// bail out. This threshold is far beyond the number of users that LSR can
82 /// conceivably solve, so it should not affect generated code, but catches the
83 /// worst cases before LSR burns too much compile time and stack space.
84 static const unsigned MaxIVUsers = 200;
85
86 // Temporary flag to cleanup congruent phis after LSR phi expansion.
87 // It's currently disabled until we can determine whether it's truly useful or
88 // not. The flag should be removed after the v3.0 release.
89 // This is now needed for ivchains.
90 static cl::opt<bool> EnablePhiElim(
91   "enable-lsr-phielim", cl::Hidden, cl::init(true),
92   cl::desc("Enable LSR phi elimination"));
93
94 #ifndef NDEBUG
95 // Stress test IV chain generation.
96 static cl::opt<bool> StressIVChain(
97   "stress-ivchain", cl::Hidden, cl::init(false),
98   cl::desc("Stress test LSR IV chains"));
99 #else
100 static bool StressIVChain = false;
101 #endif
102
103 namespace {
104
105 /// RegSortData - This class holds data which is used to order reuse candidates.
106 class RegSortData {
107 public:
108   /// UsedByIndices - This represents the set of LSRUse indices which reference
109   /// a particular register.
110   SmallBitVector UsedByIndices;
111
112   RegSortData() {}
113
114   void print(raw_ostream &OS) const;
115   void dump() const;
116 };
117
118 }
119
120 void RegSortData::print(raw_ostream &OS) const {
121   OS << "[NumUses=" << UsedByIndices.count() << ']';
122 }
123
124 void RegSortData::dump() const {
125   print(errs()); errs() << '\n';
126 }
127
128 namespace {
129
130 /// RegUseTracker - Map register candidates to information about how they are
131 /// used.
132 class RegUseTracker {
133   typedef DenseMap<const SCEV *, RegSortData> RegUsesTy;
134
135   RegUsesTy RegUsesMap;
136   SmallVector<const SCEV *, 16> RegSequence;
137
138 public:
139   void CountRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
140   void DropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
141   void SwapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx);
142
143   bool isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const;
144
145   const SmallBitVector &getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const;
146
147   void clear();
148
149   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator iterator;
150   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator const_iterator;
151   iterator begin() { return RegSequence.begin(); }
152   iterator end()   { return RegSequence.end(); }
153   const_iterator begin() const { return RegSequence.begin(); }
154   const_iterator end() const   { return RegSequence.end(); }
155 };
156
157 }
158
159 void
160 RegUseTracker::CountRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
161   std::pair<RegUsesTy::iterator, bool> Pair =
162     RegUsesMap.insert(std::make_pair(Reg, RegSortData()));
163   RegSortData &RSD = Pair.first->second;
164   if (Pair.second)
165     RegSequence.push_back(Reg);
166   RSD.UsedByIndices.resize(std::max(RSD.UsedByIndices.size(), LUIdx + 1));
167   RSD.UsedByIndices.set(LUIdx);
168 }
169
170 void
171 RegUseTracker::DropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
172   RegUsesTy::iterator It = RegUsesMap.find(Reg);
173   assert(It != RegUsesMap.end());
174   RegSortData &RSD = It->second;
175   assert(RSD.UsedByIndices.size() > LUIdx);
176   RSD.UsedByIndices.reset(LUIdx);
177 }
178
179 void
180 RegUseTracker::SwapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx) {
181   assert(LUIdx <= LastLUIdx);
182
183   // Update RegUses. The data structure is not optimized for this purpose;
184   // we must iterate through it and update each of the bit vectors.
185   for (RegUsesTy::iterator I = RegUsesMap.begin(), E = RegUsesMap.end();
186        I != E; ++I) {
187     SmallBitVector &UsedByIndices = I->second.UsedByIndices;
188     if (LUIdx < UsedByIndices.size())
189       UsedByIndices[LUIdx] =
190         LastLUIdx < UsedByIndices.size() ? UsedByIndices[LastLUIdx] : 0;
191     UsedByIndices.resize(std::min(UsedByIndices.size(), LastLUIdx));
192   }
193 }
194
195 bool
196 RegUseTracker::isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const {
197   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
198   if (I == RegUsesMap.end())
199     return false;
200   const SmallBitVector &UsedByIndices = I->second.UsedByIndices;
201   int i = UsedByIndices.find_first();
202   if (i == -1) return false;
203   if ((size_t)i != LUIdx) return true;
204   return UsedByIndices.find_next(i) != -1;
205 }
206
207 const SmallBitVector &RegUseTracker::getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const {
208   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
209   assert(I != RegUsesMap.end() && "Unknown register!");
210   return I->second.UsedByIndices;
211 }
212
213 void RegUseTracker::clear() {
214   RegUsesMap.clear();
215   RegSequence.clear();
216 }
217
218 namespace {
219
220 /// Formula - This class holds information that describes a formula for
221 /// computing satisfying a use. It may include broken-out immediates and scaled
222 /// registers.
223 struct Formula {
224   /// AM - This is used to represent complex addressing, as well as other kinds
225   /// of interesting uses.
226   TargetLowering::AddrMode AM;
227
228   /// BaseRegs - The list of "base" registers for this use. When this is
229   /// non-empty, AM.HasBaseReg should be set to true.
230   SmallVector<const SCEV *, 2> BaseRegs;
231
232   /// ScaledReg - The 'scaled' register for this use. This should be non-null
233   /// when AM.Scale is not zero.
234   const SCEV *ScaledReg;
235
236   /// UnfoldedOffset - An additional constant offset which added near the
237   /// use. This requires a temporary register, but the offset itself can
238   /// live in an add immediate field rather than a register.
239   int64_t UnfoldedOffset;
240
241   Formula() : ScaledReg(0), UnfoldedOffset(0) {}
242
243   void InitialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE);
244
245   unsigned getNumRegs() const;
246   Type *getType() const;
247
248   void DeleteBaseReg(const SCEV *&S);
249
250   bool referencesReg(const SCEV *S) const;
251   bool hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
252                                   const RegUseTracker &RegUses) const;
253
254   void print(raw_ostream &OS) const;
255   void dump() const;
256 };
257
258 }
259
260 /// DoInitialMatch - Recursion helper for InitialMatch.
261 static void DoInitialMatch(const SCEV *S, Loop *L,
262                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Good,
263                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Bad,
264                            ScalarEvolution &SE) {
265   // Collect expressions which properly dominate the loop header.
266   if (SE.properlyDominates(S, L->getHeader())) {
267     Good.push_back(S);
268     return;
269   }
270
271   // Look at add operands.
272   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
273     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
274          I != E; ++I)
275       DoInitialMatch(*I, L, Good, Bad, SE);
276     return;
277   }
278
279   // Look at addrec operands.
280   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
281     if (!AR->getStart()->isZero()) {
282       DoInitialMatch(AR->getStart(), L, Good, Bad, SE);
283       DoInitialMatch(SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(AR->getType(), 0),
284                                       AR->getStepRecurrence(SE),
285                                       // FIXME: AR->getNoWrapFlags()
286                                       AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap),
287                      L, Good, Bad, SE);
288       return;
289     }
290
291   // Handle a multiplication by -1 (negation) if it didn't fold.
292   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S))
293     if (Mul->getOperand(0)->isAllOnesValue()) {
294       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(Mul->op_begin()+1, Mul->op_end());
295       const SCEV *NewMul = SE.getMulExpr(Ops);
296
297       SmallVector<const SCEV *, 4> MyGood;
298       SmallVector<const SCEV *, 4> MyBad;
299       DoInitialMatch(NewMul, L, MyGood, MyBad, SE);
300       const SCEV *NegOne = SE.getSCEV(ConstantInt::getAllOnesValue(
301         SE.getEffectiveSCEVType(NewMul->getType())));
302       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = MyGood.begin(),
303            E = MyGood.end(); I != E; ++I)
304         Good.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, *I));
305       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = MyBad.begin(),
306            E = MyBad.end(); I != E; ++I)
307         Bad.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, *I));
308       return;
309     }
310
311   // Ok, we can't do anything interesting. Just stuff the whole thing into a
312   // register and hope for the best.
313   Bad.push_back(S);
314 }
315
316 /// InitialMatch - Incorporate loop-variant parts of S into this Formula,
317 /// attempting to keep all loop-invariant and loop-computable values in a
318 /// single base register.
319 void Formula::InitialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
320   SmallVector<const SCEV *, 4> Good;
321   SmallVector<const SCEV *, 4> Bad;
322   DoInitialMatch(S, L, Good, Bad, SE);
323   if (!Good.empty()) {
324     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Good);
325     if (!Sum->isZero())
326       BaseRegs.push_back(Sum);
327     AM.HasBaseReg = true;
328   }
329   if (!Bad.empty()) {
330     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Bad);
331     if (!Sum->isZero())
332       BaseRegs.push_back(Sum);
333     AM.HasBaseReg = true;
334   }
335 }
336
337 /// getNumRegs - Return the total number of register operands used by this
338 /// formula. This does not include register uses implied by non-constant
339 /// addrec strides.
340 unsigned Formula::getNumRegs() const {
341   return !!ScaledReg + BaseRegs.size();
342 }
343
344 /// getType - Return the type of this formula, if it has one, or null
345 /// otherwise. This type is meaningless except for the bit size.
346 Type *Formula::getType() const {
347   return !BaseRegs.empty() ? BaseRegs.front()->getType() :
348          ScaledReg ? ScaledReg->getType() :
349          AM.BaseGV ? AM.BaseGV->getType() :
350          0;
351 }
352
353 /// DeleteBaseReg - Delete the given base reg from the BaseRegs list.
354 void Formula::DeleteBaseReg(const SCEV *&S) {
355   if (&S != &BaseRegs.back())
356     std::swap(S, BaseRegs.back());
357   BaseRegs.pop_back();
358 }
359
360 /// referencesReg - Test if this formula references the given register.
361 bool Formula::referencesReg(const SCEV *S) const {
362   return S == ScaledReg ||
363          std::find(BaseRegs.begin(), BaseRegs.end(), S) != BaseRegs.end();
364 }
365
366 /// hasRegsUsedByUsesOtherThan - Test whether this formula uses registers
367 /// which are used by uses other than the use with the given index.
368 bool Formula::hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
369                                          const RegUseTracker &RegUses) const {
370   if (ScaledReg)
371     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(ScaledReg, LUIdx))
372       return true;
373   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = BaseRegs.begin(),
374        E = BaseRegs.end(); I != E; ++I)
375     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(*I, LUIdx))
376       return true;
377   return false;
378 }
379
380 void Formula::print(raw_ostream &OS) const {
381   bool First = true;
382   if (AM.BaseGV) {
383     if (!First) OS << " + "; else First = false;
384     WriteAsOperand(OS, AM.BaseGV, /*PrintType=*/false);
385   }
386   if (AM.BaseOffs != 0) {
387     if (!First) OS << " + "; else First = false;
388     OS << AM.BaseOffs;
389   }
390   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = BaseRegs.begin(),
391        E = BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
392     if (!First) OS << " + "; else First = false;
393     OS << "reg(" << **I << ')';
394   }
395   if (AM.HasBaseReg && BaseRegs.empty()) {
396     if (!First) OS << " + "; else First = false;
397     OS << "**error: HasBaseReg**";
398   } else if (!AM.HasBaseReg && !BaseRegs.empty()) {
399     if (!First) OS << " + "; else First = false;
400     OS << "**error: !HasBaseReg**";
401   }
402   if (AM.Scale != 0) {
403     if (!First) OS << " + "; else First = false;
404     OS << AM.Scale << "*reg(";
405     if (ScaledReg)
406       OS << *ScaledReg;
407     else
408       OS << "<unknown>";
409     OS << ')';
410   }
411   if (UnfoldedOffset != 0) {
412     if (!First) OS << " + "; else First = false;
413     OS << "imm(" << UnfoldedOffset << ')';
414   }
415 }
416
417 void Formula::dump() const {
418   print(errs()); errs() << '\n';
419 }
420
421 /// isAddRecSExtable - Return true if the given addrec can be sign-extended
422 /// without changing its value.
423 static bool isAddRecSExtable(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
424   Type *WideTy =
425     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(AR->getType()) + 1);
426   return isa<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
427 }
428
429 /// isAddSExtable - Return true if the given add can be sign-extended
430 /// without changing its value.
431 static bool isAddSExtable(const SCEVAddExpr *A, ScalarEvolution &SE) {
432   Type *WideTy =
433     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) + 1);
434   return isa<SCEVAddExpr>(SE.getSignExtendExpr(A, WideTy));
435 }
436
437 /// isMulSExtable - Return true if the given mul can be sign-extended
438 /// without changing its value.
439 static bool isMulSExtable(const SCEVMulExpr *M, ScalarEvolution &SE) {
440   Type *WideTy =
441     IntegerType::get(SE.getContext(),
442                      SE.getTypeSizeInBits(M->getType()) * M->getNumOperands());
443   return isa<SCEVMulExpr>(SE.getSignExtendExpr(M, WideTy));
444 }
445
446 /// getExactSDiv - Return an expression for LHS /s RHS, if it can be determined
447 /// and if the remainder is known to be zero,  or null otherwise. If
448 /// IgnoreSignificantBits is true, expressions like (X * Y) /s Y are simplified
449 /// to Y, ignoring that the multiplication may overflow, which is useful when
450 /// the result will be used in a context where the most significant bits are
451 /// ignored.
452 static const SCEV *getExactSDiv(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
453                                 ScalarEvolution &SE,
454                                 bool IgnoreSignificantBits = false) {
455   // Handle the trivial case, which works for any SCEV type.
456   if (LHS == RHS)
457     return SE.getConstant(LHS->getType(), 1);
458
459   // Handle a few RHS special cases.
460   const SCEVConstant *RC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
461   if (RC) {
462     const APInt &RA = RC->getValue()->getValue();
463     // Handle x /s -1 as x * -1, to give ScalarEvolution a chance to do
464     // some folding.
465     if (RA.isAllOnesValue())
466       return SE.getMulExpr(LHS, RC);
467     // Handle x /s 1 as x.
468     if (RA == 1)
469       return LHS;
470   }
471
472   // Check for a division of a constant by a constant.
473   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
474     if (!RC)
475       return 0;
476     const APInt &LA = C->getValue()->getValue();
477     const APInt &RA = RC->getValue()->getValue();
478     if (LA.srem(RA) != 0)
479       return 0;
480     return SE.getConstant(LA.sdiv(RA));
481   }
482
483   // Distribute the sdiv over addrec operands, if the addrec doesn't overflow.
484   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS)) {
485     if (IgnoreSignificantBits || isAddRecSExtable(AR, SE)) {
486       const SCEV *Step = getExactSDiv(AR->getStepRecurrence(SE), RHS, SE,
487                                       IgnoreSignificantBits);
488       if (!Step) return 0;
489       const SCEV *Start = getExactSDiv(AR->getStart(), RHS, SE,
490                                        IgnoreSignificantBits);
491       if (!Start) return 0;
492       // FlagNW is independent of the start value, step direction, and is
493       // preserved with smaller magnitude steps.
494       // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
495       return SE.getAddRecExpr(Start, Step, AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap);
496     }
497     return 0;
498   }
499
500   // Distribute the sdiv over add operands, if the add doesn't overflow.
501   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(LHS)) {
502     if (IgnoreSignificantBits || isAddSExtable(Add, SE)) {
503       SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
504       for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
505            I != E; ++I) {
506         const SCEV *Op = getExactSDiv(*I, RHS, SE,
507                                       IgnoreSignificantBits);
508         if (!Op) return 0;
509         Ops.push_back(Op);
510       }
511       return SE.getAddExpr(Ops);
512     }
513     return 0;
514   }
515
516   // Check for a multiply operand that we can pull RHS out of.
517   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(LHS)) {
518     if (IgnoreSignificantBits || isMulSExtable(Mul, SE)) {
519       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
520       bool Found = false;
521       for (SCEVMulExpr::op_iterator I = Mul->op_begin(), E = Mul->op_end();
522            I != E; ++I) {
523         const SCEV *S = *I;
524         if (!Found)
525           if (const SCEV *Q = getExactSDiv(S, RHS, SE,
526                                            IgnoreSignificantBits)) {
527             S = Q;
528             Found = true;
529           }
530         Ops.push_back(S);
531       }
532       return Found ? SE.getMulExpr(Ops) : 0;
533     }
534     return 0;
535   }
536
537   // Otherwise we don't know.
538   return 0;
539 }
540
541 /// ExtractImmediate - If S involves the addition of a constant integer value,
542 /// return that integer value, and mutate S to point to a new SCEV with that
543 /// value excluded.
544 static int64_t ExtractImmediate(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
545   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
546     if (C->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64) {
547       S = SE.getConstant(C->getType(), 0);
548       return C->getValue()->getSExtValue();
549     }
550   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
551     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
552     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
553     if (Result != 0)
554       S = SE.getAddExpr(NewOps);
555     return Result;
556   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
557     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
558     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
559     if (Result != 0)
560       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
561                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
562                            SCEV::FlagAnyWrap);
563     return Result;
564   }
565   return 0;
566 }
567
568 /// ExtractSymbol - If S involves the addition of a GlobalValue address,
569 /// return that symbol, and mutate S to point to a new SCEV with that
570 /// value excluded.
571 static GlobalValue *ExtractSymbol(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
572   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
573     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue())) {
574       S = SE.getConstant(GV->getType(), 0);
575       return GV;
576     }
577   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
578     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
579     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.back(), SE);
580     if (Result)
581       S = SE.getAddExpr(NewOps);
582     return Result;
583   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
584     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
585     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.front(), SE);
586     if (Result)
587       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
588                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
589                            SCEV::FlagAnyWrap);
590     return Result;
591   }
592   return 0;
593 }
594
595 /// isAddressUse - Returns true if the specified instruction is using the
596 /// specified value as an address.
597 static bool isAddressUse(Instruction *Inst, Value *OperandVal) {
598   bool isAddress = isa<LoadInst>(Inst);
599   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
600     if (SI->getOperand(1) == OperandVal)
601       isAddress = true;
602   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
603     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
604     // of intrinsics.
605     switch (II->getIntrinsicID()) {
606       default: break;
607       case Intrinsic::prefetch:
608       case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
609       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
610       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
611       case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
612         if (II->getArgOperand(0) == OperandVal)
613           isAddress = true;
614         break;
615     }
616   }
617   return isAddress;
618 }
619
620 /// getAccessType - Return the type of the memory being accessed.
621 static Type *getAccessType(const Instruction *Inst) {
622   Type *AccessTy = Inst->getType();
623   if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
624     AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
625   else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
626     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
627     // of intrinsics.
628     switch (II->getIntrinsicID()) {
629     default: break;
630     case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
631     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
632     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
633     case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
634       AccessTy = II->getArgOperand(0)->getType();
635       break;
636     }
637   }
638
639   // All pointers have the same requirements, so canonicalize them to an
640   // arbitrary pointer type to minimize variation.
641   if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(AccessTy))
642     AccessTy = PointerType::get(IntegerType::get(PTy->getContext(), 1),
643                                 PTy->getAddressSpace());
644
645   return AccessTy;
646 }
647
648 /// isExistingPhi - Return true if this AddRec is already a phi in its loop.
649 static bool isExistingPhi(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
650   for (BasicBlock::iterator I = AR->getLoop()->getHeader()->begin();
651        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
652     if (SE.isSCEVable(PN->getType()) &&
653         (SE.getEffectiveSCEVType(PN->getType()) ==
654          SE.getEffectiveSCEVType(AR->getType())) &&
655         SE.getSCEV(PN) == AR)
656       return true;
657   }
658   return false;
659 }
660
661 /// Check if expanding this expression is likely to incur significant cost. This
662 /// is tricky because SCEV doesn't track which expressions are actually computed
663 /// by the current IR.
664 ///
665 /// We currently allow expansion of IV increments that involve adds,
666 /// multiplication by constants, and AddRecs from existing phis.
667 ///
668 /// TODO: Allow UDivExpr if we can find an existing IV increment that is an
669 /// obvious multiple of the UDivExpr.
670 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S,
671                                 SmallPtrSet<const SCEV*, 8> &Processed,
672                                 ScalarEvolution &SE) {
673   // Zero/One operand expressions
674   switch (S->getSCEVType()) {
675   case scUnknown:
676   case scConstant:
677     return false;
678   case scTruncate:
679     return isHighCostExpansion(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand(),
680                                Processed, SE);
681   case scZeroExtend:
682     return isHighCostExpansion(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand(),
683                                Processed, SE);
684   case scSignExtend:
685     return isHighCostExpansion(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand(),
686                                Processed, SE);
687   }
688
689   if (!Processed.insert(S))
690     return false;
691
692   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
693     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
694          I != E; ++I) {
695       if (isHighCostExpansion(*I, Processed, SE))
696         return true;
697     }
698     return false;
699   }
700
701   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
702     if (Mul->getNumOperands() == 2) {
703       // Multiplication by a constant is ok
704       if (isa<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0)))
705         return isHighCostExpansion(Mul->getOperand(1), Processed, SE);
706
707       // If we have the value of one operand, check if an existing
708       // multiplication already generates this expression.
709       if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(Mul->getOperand(1))) {
710         Value *UVal = U->getValue();
711         for (Value::use_iterator UI = UVal->use_begin(), UE = UVal->use_end();
712              UI != UE; ++UI) {
713           // If U is a constant, it may be used by a ConstantExpr.
714           Instruction *User = dyn_cast<Instruction>(*UI);
715           if (User && User->getOpcode() == Instruction::Mul
716               && SE.isSCEVable(User->getType())) {
717             return SE.getSCEV(User) == Mul;
718           }
719         }
720       }
721     }
722   }
723
724   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
725     if (isExistingPhi(AR, SE))
726       return false;
727   }
728
729   // Fow now, consider any other type of expression (div/mul/min/max) high cost.
730   return true;
731 }
732
733 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
734 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
735 /// their operands subsequently dead.
736 static bool
737 DeleteTriviallyDeadInstructions(SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
738   bool Changed = false;
739
740   while (!DeadInsts.empty()) {
741     Instruction *I = dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val());
742
743     if (I == 0 || !isInstructionTriviallyDead(I))
744       continue;
745
746     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
747       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
748         *OI = 0;
749         if (U->use_empty())
750           DeadInsts.push_back(U);
751       }
752
753     I->eraseFromParent();
754     Changed = true;
755   }
756
757   return Changed;
758 }
759
760 namespace {
761
762 /// Cost - This class is used to measure and compare candidate formulae.
763 class Cost {
764   /// TODO: Some of these could be merged. Also, a lexical ordering
765   /// isn't always optimal.
766   unsigned NumRegs;
767   unsigned AddRecCost;
768   unsigned NumIVMuls;
769   unsigned NumBaseAdds;
770   unsigned ImmCost;
771   unsigned SetupCost;
772
773 public:
774   Cost()
775     : NumRegs(0), AddRecCost(0), NumIVMuls(0), NumBaseAdds(0), ImmCost(0),
776       SetupCost(0) {}
777
778   bool operator<(const Cost &Other) const;
779
780   void Loose();
781
782 #ifndef NDEBUG
783   // Once any of the metrics loses, they must all remain losers.
784   bool isValid() {
785     return ((NumRegs | AddRecCost | NumIVMuls | NumBaseAdds
786              | ImmCost | SetupCost) != ~0u)
787       || ((NumRegs & AddRecCost & NumIVMuls & NumBaseAdds
788            & ImmCost & SetupCost) == ~0u);
789   }
790 #endif
791
792   bool isLoser() {
793     assert(isValid() && "invalid cost");
794     return NumRegs == ~0u;
795   }
796
797   void RateFormula(const Formula &F,
798                    SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
799                    const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
800                    const Loop *L,
801                    const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
802                    ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
803                    SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs = 0);
804
805   void print(raw_ostream &OS) const;
806   void dump() const;
807
808 private:
809   void RateRegister(const SCEV *Reg,
810                     SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
811                     const Loop *L,
812                     ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT);
813   void RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
814                            SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
815                            const Loop *L,
816                            ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
817                            SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs);
818 };
819
820 }
821
822 /// RateRegister - Tally up interesting quantities from the given register.
823 void Cost::RateRegister(const SCEV *Reg,
824                         SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
825                         const Loop *L,
826                         ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
827   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)) {
828     // If this is an addrec for another loop, don't second-guess its addrec phi
829     // nodes. LSR isn't currently smart enough to reason about more than one
830     // loop at a time. LSR has already run on inner loops, will not run on outer
831     // loops, and cannot be expected to change sibling loops.
832     if (AR->getLoop() != L) {
833       // If the AddRec exists, consider it's register free and leave it alone.
834       if (isExistingPhi(AR, SE))
835         return;
836
837       // Otherwise, do not consider this formula at all.
838       Loose();
839       return;
840     }
841     AddRecCost += 1; /// TODO: This should be a function of the stride.
842
843     // Add the step value register, if it needs one.
844     // TODO: The non-affine case isn't precisely modeled here.
845     if (!AR->isAffine() || !isa<SCEVConstant>(AR->getOperand(1))) {
846       if (!Regs.count(AR->getOperand(1))) {
847         RateRegister(AR->getOperand(1), Regs, L, SE, DT);
848         if (isLoser())
849           return;
850       }
851     }
852   }
853   ++NumRegs;
854
855   // Rough heuristic; favor registers which don't require extra setup
856   // instructions in the preheader.
857   if (!isa<SCEVUnknown>(Reg) &&
858       !isa<SCEVConstant>(Reg) &&
859       !(isa<SCEVAddRecExpr>(Reg) &&
860         (isa<SCEVUnknown>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()) ||
861          isa<SCEVConstant>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()))))
862     ++SetupCost;
863
864     NumIVMuls += isa<SCEVMulExpr>(Reg) &&
865                  SE.hasComputableLoopEvolution(Reg, L);
866 }
867
868 /// RatePrimaryRegister - Record this register in the set. If we haven't seen it
869 /// before, rate it. Optional LoserRegs provides a way to declare any formula
870 /// that refers to one of those regs an instant loser.
871 void Cost::RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
872                                SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
873                                const Loop *L,
874                                ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
875                                SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs) {
876   if (LoserRegs && LoserRegs->count(Reg)) {
877     Loose();
878     return;
879   }
880   if (Regs.insert(Reg)) {
881     RateRegister(Reg, Regs, L, SE, DT);
882     if (isLoser())
883       LoserRegs->insert(Reg);
884   }
885 }
886
887 void Cost::RateFormula(const Formula &F,
888                        SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
889                        const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
890                        const Loop *L,
891                        const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
892                        ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
893                        SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs) {
894   // Tally up the registers.
895   if (const SCEV *ScaledReg = F.ScaledReg) {
896     if (VisitedRegs.count(ScaledReg)) {
897       Loose();
898       return;
899     }
900     RatePrimaryRegister(ScaledReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
901     if (isLoser())
902       return;
903   }
904   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
905        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
906     const SCEV *BaseReg = *I;
907     if (VisitedRegs.count(BaseReg)) {
908       Loose();
909       return;
910     }
911     RatePrimaryRegister(BaseReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
912     if (isLoser())
913       return;
914   }
915
916   // Determine how many (unfolded) adds we'll need inside the loop.
917   size_t NumBaseParts = F.BaseRegs.size() + (F.UnfoldedOffset != 0);
918   if (NumBaseParts > 1)
919     NumBaseAdds += NumBaseParts - 1;
920
921   // Tally up the non-zero immediates.
922   for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Offsets.begin(),
923        E = Offsets.end(); I != E; ++I) {
924     int64_t Offset = (uint64_t)*I + F.AM.BaseOffs;
925     if (F.AM.BaseGV)
926       ImmCost += 64; // Handle symbolic values conservatively.
927                      // TODO: This should probably be the pointer size.
928     else if (Offset != 0)
929       ImmCost += APInt(64, Offset, true).getMinSignedBits();
930   }
931   assert(isValid() && "invalid cost");
932 }
933
934 /// Loose - Set this cost to a losing value.
935 void Cost::Loose() {
936   NumRegs = ~0u;
937   AddRecCost = ~0u;
938   NumIVMuls = ~0u;
939   NumBaseAdds = ~0u;
940   ImmCost = ~0u;
941   SetupCost = ~0u;
942 }
943
944 /// operator< - Choose the lower cost.
945 bool Cost::operator<(const Cost &Other) const {
946   if (NumRegs != Other.NumRegs)
947     return NumRegs < Other.NumRegs;
948   if (AddRecCost != Other.AddRecCost)
949     return AddRecCost < Other.AddRecCost;
950   if (NumIVMuls != Other.NumIVMuls)
951     return NumIVMuls < Other.NumIVMuls;
952   if (NumBaseAdds != Other.NumBaseAdds)
953     return NumBaseAdds < Other.NumBaseAdds;
954   if (ImmCost != Other.ImmCost)
955     return ImmCost < Other.ImmCost;
956   if (SetupCost != Other.SetupCost)
957     return SetupCost < Other.SetupCost;
958   return false;
959 }
960
961 void Cost::print(raw_ostream &OS) const {
962   OS << NumRegs << " reg" << (NumRegs == 1 ? "" : "s");
963   if (AddRecCost != 0)
964     OS << ", with addrec cost " << AddRecCost;
965   if (NumIVMuls != 0)
966     OS << ", plus " << NumIVMuls << " IV mul" << (NumIVMuls == 1 ? "" : "s");
967   if (NumBaseAdds != 0)
968     OS << ", plus " << NumBaseAdds << " base add"
969        << (NumBaseAdds == 1 ? "" : "s");
970   if (ImmCost != 0)
971     OS << ", plus " << ImmCost << " imm cost";
972   if (SetupCost != 0)
973     OS << ", plus " << SetupCost << " setup cost";
974 }
975
976 void Cost::dump() const {
977   print(errs()); errs() << '\n';
978 }
979
980 namespace {
981
982 /// LSRFixup - An operand value in an instruction which is to be replaced
983 /// with some equivalent, possibly strength-reduced, replacement.
984 struct LSRFixup {
985   /// UserInst - The instruction which will be updated.
986   Instruction *UserInst;
987
988   /// OperandValToReplace - The operand of the instruction which will
989   /// be replaced. The operand may be used more than once; every instance
990   /// will be replaced.
991   Value *OperandValToReplace;
992
993   /// PostIncLoops - If this user is to use the post-incremented value of an
994   /// induction variable, this variable is non-null and holds the loop
995   /// associated with the induction variable.
996   PostIncLoopSet PostIncLoops;
997
998   /// LUIdx - The index of the LSRUse describing the expression which
999   /// this fixup needs, minus an offset (below).
1000   size_t LUIdx;
1001
1002   /// Offset - A constant offset to be added to the LSRUse expression.
1003   /// This allows multiple fixups to share the same LSRUse with different
1004   /// offsets, for example in an unrolled loop.
1005   int64_t Offset;
1006
1007   bool isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const;
1008
1009   LSRFixup();
1010
1011   void print(raw_ostream &OS) const;
1012   void dump() const;
1013 };
1014
1015 }
1016
1017 LSRFixup::LSRFixup()
1018   : UserInst(0), OperandValToReplace(0), LUIdx(~size_t(0)), Offset(0) {}
1019
1020 /// isUseFullyOutsideLoop - Test whether this fixup always uses its
1021 /// value outside of the given loop.
1022 bool LSRFixup::isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const {
1023   // PHI nodes use their value in their incoming blocks.
1024   if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UserInst)) {
1025     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
1026       if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace &&
1027           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
1028         return false;
1029     return true;
1030   }
1031
1032   return !L->contains(UserInst);
1033 }
1034
1035 void LSRFixup::print(raw_ostream &OS) const {
1036   OS << "UserInst=";
1037   // Store is common and interesting enough to be worth special-casing.
1038   if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(UserInst)) {
1039     OS << "store ";
1040     WriteAsOperand(OS, Store->getOperand(0), /*PrintType=*/false);
1041   } else if (UserInst->getType()->isVoidTy())
1042     OS << UserInst->getOpcodeName();
1043   else
1044     WriteAsOperand(OS, UserInst, /*PrintType=*/false);
1045
1046   OS << ", OperandValToReplace=";
1047   WriteAsOperand(OS, OperandValToReplace, /*PrintType=*/false);
1048
1049   for (PostIncLoopSet::const_iterator I = PostIncLoops.begin(),
1050        E = PostIncLoops.end(); I != E; ++I) {
1051     OS << ", PostIncLoop=";
1052     WriteAsOperand(OS, (*I)->getHeader(), /*PrintType=*/false);
1053   }
1054
1055   if (LUIdx != ~size_t(0))
1056     OS << ", LUIdx=" << LUIdx;
1057
1058   if (Offset != 0)
1059     OS << ", Offset=" << Offset;
1060 }
1061
1062 void LSRFixup::dump() const {
1063   print(errs()); errs() << '\n';
1064 }
1065
1066 namespace {
1067
1068 /// UniquifierDenseMapInfo - A DenseMapInfo implementation for holding
1069 /// DenseMaps and DenseSets of sorted SmallVectors of const SCEV*.
1070 struct UniquifierDenseMapInfo {
1071   static SmallVector<const SCEV *, 2> getEmptyKey() {
1072     SmallVector<const SCEV *, 2> V;
1073     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-1));
1074     return V;
1075   }
1076
1077   static SmallVector<const SCEV *, 2> getTombstoneKey() {
1078     SmallVector<const SCEV *, 2> V;
1079     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-2));
1080     return V;
1081   }
1082
1083   static unsigned getHashValue(const SmallVector<const SCEV *, 2> &V) {
1084     unsigned Result = 0;
1085     for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = V.begin(),
1086          E = V.end(); I != E; ++I)
1087       Result ^= DenseMapInfo<const SCEV *>::getHashValue(*I);
1088     return Result;
1089   }
1090
1091   static bool isEqual(const SmallVector<const SCEV *, 2> &LHS,
1092                       const SmallVector<const SCEV *, 2> &RHS) {
1093     return LHS == RHS;
1094   }
1095 };
1096
1097 /// LSRUse - This class holds the state that LSR keeps for each use in
1098 /// IVUsers, as well as uses invented by LSR itself. It includes information
1099 /// about what kinds of things can be folded into the user, information about
1100 /// the user itself, and information about how the use may be satisfied.
1101 /// TODO: Represent multiple users of the same expression in common?
1102 class LSRUse {
1103   DenseSet<SmallVector<const SCEV *, 2>, UniquifierDenseMapInfo> Uniquifier;
1104
1105 public:
1106   /// KindType - An enum for a kind of use, indicating what types of
1107   /// scaled and immediate operands it might support.
1108   enum KindType {
1109     Basic,   ///< A normal use, with no folding.
1110     Special, ///< A special case of basic, allowing -1 scales.
1111     Address, ///< An address use; folding according to TargetLowering
1112     ICmpZero ///< An equality icmp with both operands folded into one.
1113     // TODO: Add a generic icmp too?
1114   };
1115
1116   KindType Kind;
1117   Type *AccessTy;
1118
1119   SmallVector<int64_t, 8> Offsets;
1120   int64_t MinOffset;
1121   int64_t MaxOffset;
1122
1123   /// AllFixupsOutsideLoop - This records whether all of the fixups using this
1124   /// LSRUse are outside of the loop, in which case some special-case heuristics
1125   /// may be used.
1126   bool AllFixupsOutsideLoop;
1127
1128   /// WidestFixupType - This records the widest use type for any fixup using
1129   /// this LSRUse. FindUseWithSimilarFormula can't consider uses with different
1130   /// max fixup widths to be equivalent, because the narrower one may be relying
1131   /// on the implicit truncation to truncate away bogus bits.
1132   Type *WidestFixupType;
1133
1134   /// Formulae - A list of ways to build a value that can satisfy this user.
1135   /// After the list is populated, one of these is selected heuristically and
1136   /// used to formulate a replacement for OperandValToReplace in UserInst.
1137   SmallVector<Formula, 12> Formulae;
1138
1139   /// Regs - The set of register candidates used by all formulae in this LSRUse.
1140   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Regs;
1141
1142   LSRUse(KindType K, Type *T) : Kind(K), AccessTy(T),
1143                                       MinOffset(INT64_MAX),
1144                                       MaxOffset(INT64_MIN),
1145                                       AllFixupsOutsideLoop(true),
1146                                       WidestFixupType(0) {}
1147
1148   bool HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const;
1149   bool InsertFormula(const Formula &F);
1150   void DeleteFormula(Formula &F);
1151   void RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &Reguses);
1152
1153   void print(raw_ostream &OS) const;
1154   void dump() const;
1155 };
1156
1157 }
1158
1159 /// HasFormula - Test whether this use as a formula which has the same
1160 /// registers as the given formula.
1161 bool LSRUse::HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const {
1162   SmallVector<const SCEV *, 2> Key = F.BaseRegs;
1163   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1164   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1165   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1166   return Uniquifier.count(Key);
1167 }
1168
1169 /// InsertFormula - If the given formula has not yet been inserted, add it to
1170 /// the list, and return true. Return false otherwise.
1171 bool LSRUse::InsertFormula(const Formula &F) {
1172   SmallVector<const SCEV *, 2> Key = F.BaseRegs;
1173   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1174   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1175   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1176
1177   if (!Uniquifier.insert(Key).second)
1178     return false;
1179
1180   // Using a register to hold the value of 0 is not profitable.
1181   assert((!F.ScaledReg || !F.ScaledReg->isZero()) &&
1182          "Zero allocated in a scaled register!");
1183 #ifndef NDEBUG
1184   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I =
1185        F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I)
1186     assert(!(*I)->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
1187 #endif
1188
1189   // Add the formula to the list.
1190   Formulae.push_back(F);
1191
1192   // Record registers now being used by this use.
1193   Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1194
1195   return true;
1196 }
1197
1198 /// DeleteFormula - Remove the given formula from this use's list.
1199 void LSRUse::DeleteFormula(Formula &F) {
1200   if (&F != &Formulae.back())
1201     std::swap(F, Formulae.back());
1202   Formulae.pop_back();
1203 }
1204
1205 /// RecomputeRegs - Recompute the Regs field, and update RegUses.
1206 void LSRUse::RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &RegUses) {
1207   // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
1208   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> OldRegs = Regs;
1209   Regs.clear();
1210   for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = Formulae.begin(),
1211        E = Formulae.end(); I != E; ++I) {
1212     const Formula &F = *I;
1213     if (F.ScaledReg) Regs.insert(F.ScaledReg);
1214     Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1215   }
1216
1217   // Update the RegTracker.
1218   for (SmallPtrSet<const SCEV *, 4>::iterator I = OldRegs.begin(),
1219        E = OldRegs.end(); I != E; ++I)
1220     if (!Regs.count(*I))
1221       RegUses.DropRegister(*I, LUIdx);
1222 }
1223
1224 void LSRUse::print(raw_ostream &OS) const {
1225   OS << "LSR Use: Kind=";
1226   switch (Kind) {
1227   case Basic:    OS << "Basic"; break;
1228   case Special:  OS << "Special"; break;
1229   case ICmpZero: OS << "ICmpZero"; break;
1230   case Address:
1231     OS << "Address of ";
1232     if (AccessTy->isPointerTy())
1233       OS << "pointer"; // the full pointer type could be really verbose
1234     else
1235       OS << *AccessTy;
1236   }
1237
1238   OS << ", Offsets={";
1239   for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Offsets.begin(),
1240        E = Offsets.end(); I != E; ++I) {
1241     OS << *I;
1242     if (llvm::next(I) != E)
1243       OS << ',';
1244   }
1245   OS << '}';
1246
1247   if (AllFixupsOutsideLoop)
1248     OS << ", all-fixups-outside-loop";
1249
1250   if (WidestFixupType)
1251     OS << ", widest fixup type: " << *WidestFixupType;
1252 }
1253
1254 void LSRUse::dump() const {
1255   print(errs()); errs() << '\n';
1256 }
1257
1258 /// isLegalUse - Test whether the use described by AM is "legal", meaning it can
1259 /// be completely folded into the user instruction at isel time. This includes
1260 /// address-mode folding and special icmp tricks.
1261 static bool isLegalUse(const TargetLowering::AddrMode &AM,
1262                        LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1263                        const TargetLowering *TLI) {
1264   switch (Kind) {
1265   case LSRUse::Address:
1266     // If we have low-level target information, ask the target if it can
1267     // completely fold this address.
1268     if (TLI) return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
1269
1270     // Otherwise, just guess that reg+reg addressing is legal.
1271     return !AM.BaseGV && AM.BaseOffs == 0 && AM.Scale <= 1;
1272
1273   case LSRUse::ICmpZero:
1274     // There's not even a target hook for querying whether it would be legal to
1275     // fold a GV into an ICmp.
1276     if (AM.BaseGV)
1277       return false;
1278
1279     // ICmp only has two operands; don't allow more than two non-trivial parts.
1280     if (AM.Scale != 0 && AM.HasBaseReg && AM.BaseOffs != 0)
1281       return false;
1282
1283     // ICmp only supports no scale or a -1 scale, as we can "fold" a -1 scale by
1284     // putting the scaled register in the other operand of the icmp.
1285     if (AM.Scale != 0 && AM.Scale != -1)
1286       return false;
1287
1288     // If we have low-level target information, ask the target if it can fold an
1289     // integer immediate on an icmp.
1290     if (AM.BaseOffs != 0) {
1291       if (!TLI)
1292         return false;
1293       // We have one of:
1294       // ICmpZero     BaseReg + Offset => ICmp BaseReg, -Offset
1295       // ICmpZero -1*ScaleReg + Offset => ICmp ScaleReg, Offset
1296       // Offs is the ICmp immediate.
1297       int64_t Offs = AM.BaseOffs;
1298       if (AM.Scale == 0)
1299         Offs = -(uint64_t)Offs; // The cast does the right thing with INT64_MIN.
1300       return TLI->isLegalICmpImmediate(Offs);
1301     }
1302
1303     // ICmpZero BaseReg + -1*ScaleReg => ICmp BaseReg, ScaleReg
1304     return true;
1305
1306   case LSRUse::Basic:
1307     // Only handle single-register values.
1308     return !AM.BaseGV && AM.Scale == 0 && AM.BaseOffs == 0;
1309
1310   case LSRUse::Special:
1311     // Special case Basic to handle -1 scales.
1312     return !AM.BaseGV && (AM.Scale == 0 || AM.Scale == -1) && AM.BaseOffs == 0;
1313   }
1314
1315   llvm_unreachable("Invalid LSRUse Kind!");
1316 }
1317
1318 static bool isLegalUse(TargetLowering::AddrMode AM,
1319                        int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1320                        LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1321                        const TargetLowering *TLI) {
1322   // Check for overflow.
1323   if (((int64_t)((uint64_t)AM.BaseOffs + MinOffset) > AM.BaseOffs) !=
1324       (MinOffset > 0))
1325     return false;
1326   AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + MinOffset;
1327   if (isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI)) {
1328     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs - MinOffset;
1329     // Check for overflow.
1330     if (((int64_t)((uint64_t)AM.BaseOffs + MaxOffset) > AM.BaseOffs) !=
1331         (MaxOffset > 0))
1332       return false;
1333     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + MaxOffset;
1334     return isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI);
1335   }
1336   return false;
1337 }
1338
1339 static bool isAlwaysFoldable(int64_t BaseOffs,
1340                              GlobalValue *BaseGV,
1341                              bool HasBaseReg,
1342                              LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1343                              const TargetLowering *TLI) {
1344   // Fast-path: zero is always foldable.
1345   if (BaseOffs == 0 && !BaseGV) return true;
1346
1347   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1348   // base and a scale.
1349   TargetLowering::AddrMode AM;
1350   AM.BaseOffs = BaseOffs;
1351   AM.BaseGV = BaseGV;
1352   AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
1353   AM.Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1354
1355   // Canonicalize a scale of 1 to a base register if the formula doesn't
1356   // already have a base register.
1357   if (!AM.HasBaseReg && AM.Scale == 1) {
1358     AM.Scale = 0;
1359     AM.HasBaseReg = true;
1360   }
1361
1362   return isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI);
1363 }
1364
1365 static bool isAlwaysFoldable(const SCEV *S,
1366                              int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1367                              bool HasBaseReg,
1368                              LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1369                              const TargetLowering *TLI,
1370                              ScalarEvolution &SE) {
1371   // Fast-path: zero is always foldable.
1372   if (S->isZero()) return true;
1373
1374   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1375   // base and a scale.
1376   int64_t BaseOffs = ExtractImmediate(S, SE);
1377   GlobalValue *BaseGV = ExtractSymbol(S, SE);
1378
1379   // If there's anything else involved, it's not foldable.
1380   if (!S->isZero()) return false;
1381
1382   // Fast-path: zero is always foldable.
1383   if (BaseOffs == 0 && !BaseGV) return true;
1384
1385   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1386   // base and a scale.
1387   TargetLowering::AddrMode AM;
1388   AM.BaseOffs = BaseOffs;
1389   AM.BaseGV = BaseGV;
1390   AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
1391   AM.Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1392
1393   return isLegalUse(AM, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, TLI);
1394 }
1395
1396 namespace {
1397
1398 /// UseMapDenseMapInfo - A DenseMapInfo implementation for holding
1399 /// DenseMaps and DenseSets of pairs of const SCEV* and LSRUse::Kind.
1400 struct UseMapDenseMapInfo {
1401   static std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> getEmptyKey() {
1402     return std::make_pair(reinterpret_cast<const SCEV *>(-1), LSRUse::Basic);
1403   }
1404
1405   static std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> getTombstoneKey() {
1406     return std::make_pair(reinterpret_cast<const SCEV *>(-2), LSRUse::Basic);
1407   }
1408
1409   static unsigned
1410   getHashValue(const std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> &V) {
1411     unsigned Result = DenseMapInfo<const SCEV *>::getHashValue(V.first);
1412     Result ^= DenseMapInfo<unsigned>::getHashValue(unsigned(V.second));
1413     return Result;
1414   }
1415
1416   static bool isEqual(const std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> &LHS,
1417                       const std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> &RHS) {
1418     return LHS == RHS;
1419   }
1420 };
1421
1422 /// IVInc - An individual increment in a Chain of IV increments.
1423 /// Relate an IV user to an expression that computes the IV it uses from the IV
1424 /// used by the previous link in the Chain.
1425 ///
1426 /// For the head of a chain, IncExpr holds the absolute SCEV expression for the
1427 /// original IVOperand. The head of the chain's IVOperand is only valid during
1428 /// chain collection, before LSR replaces IV users. During chain generation,
1429 /// IncExpr can be used to find the new IVOperand that computes the same
1430 /// expression.
1431 struct IVInc {
1432   Instruction *UserInst;
1433   Value* IVOperand;
1434   const SCEV *IncExpr;
1435
1436   IVInc(Instruction *U, Value *O, const SCEV *E):
1437     UserInst(U), IVOperand(O), IncExpr(E) {}
1438 };
1439
1440 // IVChain - The list of IV increments in program order.
1441 // We typically add the head of a chain without finding subsequent links.
1442 struct IVChain {
1443   SmallVector<IVInc,1> Incs;
1444   const SCEV *ExprBase;
1445
1446   IVChain() : ExprBase(0) {}
1447
1448   IVChain(const IVInc &Head, const SCEV *Base)
1449     : Incs(1, Head), ExprBase(Base) {}
1450
1451   typedef SmallVectorImpl<IVInc>::const_iterator const_iterator;
1452
1453   // begin - return the first increment in the chain.
1454   const_iterator begin() const {
1455     assert(!Incs.empty());
1456     return llvm::next(Incs.begin());
1457   }
1458   const_iterator end() const {
1459     return Incs.end();
1460   }
1461
1462   // hasIncs - Returns true if this chain contains any increments.
1463   bool hasIncs() const { return Incs.size() >= 2; }
1464
1465   // add - Add an IVInc to the end of this chain.
1466   void add(const IVInc &X) { Incs.push_back(X); }
1467
1468   // tailUserInst - Returns the last UserInst in the chain.
1469   Instruction *tailUserInst() const { return Incs.back().UserInst; }
1470
1471   // isProfitableIncrement - Returns true if IncExpr can be profitably added to
1472   // this chain.
1473   bool isProfitableIncrement(const SCEV *OperExpr,
1474                              const SCEV *IncExpr,
1475                              ScalarEvolution&);
1476 };
1477
1478 /// ChainUsers - Helper for CollectChains to track multiple IV increment uses.
1479 /// Distinguish between FarUsers that definitely cross IV increments and
1480 /// NearUsers that may be used between IV increments.
1481 struct ChainUsers {
1482   SmallPtrSet<Instruction*, 4> FarUsers;
1483   SmallPtrSet<Instruction*, 4> NearUsers;
1484 };
1485
1486 /// LSRInstance - This class holds state for the main loop strength reduction
1487 /// logic.
1488 class LSRInstance {
1489   IVUsers &IU;
1490   ScalarEvolution &SE;
1491   DominatorTree &DT;
1492   LoopInfo &LI;
1493   const TargetLowering *const TLI;
1494   Loop *const L;
1495   bool Changed;
1496
1497   /// IVIncInsertPos - This is the insert position that the current loop's
1498   /// induction variable increment should be placed. In simple loops, this is
1499   /// the latch block's terminator. But in more complicated cases, this is a
1500   /// position which will dominate all the in-loop post-increment users.
1501   Instruction *IVIncInsertPos;
1502
1503   /// Factors - Interesting factors between use strides.
1504   SmallSetVector<int64_t, 8> Factors;
1505
1506   /// Types - Interesting use types, to facilitate truncation reuse.
1507   SmallSetVector<Type *, 4> Types;
1508
1509   /// Fixups - The list of operands which are to be replaced.
1510   SmallVector<LSRFixup, 16> Fixups;
1511
1512   /// Uses - The list of interesting uses.
1513   SmallVector<LSRUse, 16> Uses;
1514
1515   /// RegUses - Track which uses use which register candidates.
1516   RegUseTracker RegUses;
1517
1518   // Limit the number of chains to avoid quadratic behavior. We don't expect to
1519   // have more than a few IV increment chains in a loop. Missing a Chain falls
1520   // back to normal LSR behavior for those uses.
1521   static const unsigned MaxChains = 8;
1522
1523   /// IVChainVec - IV users can form a chain of IV increments.
1524   SmallVector<IVChain, MaxChains> IVChainVec;
1525
1526   /// IVIncSet - IV users that belong to profitable IVChains.
1527   SmallPtrSet<Use*, MaxChains> IVIncSet;
1528
1529   void OptimizeShadowIV();
1530   bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse);
1531   ICmpInst *OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse);
1532   void OptimizeLoopTermCond();
1533
1534   void ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
1535                         SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec);
1536   void FinalizeChain(IVChain &Chain);
1537   void CollectChains();
1538   void GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
1539                        SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts);
1540
1541   void CollectInterestingTypesAndFactors();
1542   void CollectFixupsAndInitialFormulae();
1543
1544   LSRFixup &getNewFixup() {
1545     Fixups.push_back(LSRFixup());
1546     return Fixups.back();
1547   }
1548
1549   // Support for sharing of LSRUses between LSRFixups.
1550   typedef DenseMap<std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType>,
1551                    size_t,
1552                    UseMapDenseMapInfo> UseMapTy;
1553   UseMapTy UseMap;
1554
1555   bool reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
1556                           LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy);
1557
1558   std::pair<size_t, int64_t> getUse(const SCEV *&Expr,
1559                                     LSRUse::KindType Kind,
1560                                     Type *AccessTy);
1561
1562   void DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1563
1564   LSRUse *FindUseWithSimilarFormula(const Formula &F, const LSRUse &OrigLU);
1565
1566   void InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1567   void InsertSupplementalFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1568   void CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx);
1569   bool InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F);
1570
1571   void CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
1572
1573   void GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base,
1574                               unsigned Depth = 0);
1575   void GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1576   void GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1577   void GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1578   void GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1579   void GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1580   void GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1581   void GenerateCrossUseConstantOffsets();
1582   void GenerateAllReuseFormulae();
1583
1584   void FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
1585
1586   size_t EstimateSearchSpaceComplexity() const;
1587   void NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
1588   void NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
1589   void NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
1590   void NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
1591   void NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
1592
1593   void SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1594                     Cost &SolutionCost,
1595                     SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
1596                     const Cost &CurCost,
1597                     const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
1598                     DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const;
1599   void Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const;
1600
1601   BasicBlock::iterator
1602     HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
1603                         const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs) const;
1604   BasicBlock::iterator
1605     AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator IP,
1606                                   const LSRFixup &LF,
1607                                   const LSRUse &LU,
1608                                   SCEVExpander &Rewriter) const;
1609
1610   Value *Expand(const LSRFixup &LF,
1611                 const Formula &F,
1612                 BasicBlock::iterator IP,
1613                 SCEVExpander &Rewriter,
1614                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const;
1615   void RewriteForPHI(PHINode *PN, const LSRFixup &LF,
1616                      const Formula &F,
1617                      SCEVExpander &Rewriter,
1618                      SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1619                      Pass *P) const;
1620   void Rewrite(const LSRFixup &LF,
1621                const Formula &F,
1622                SCEVExpander &Rewriter,
1623                SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1624                Pass *P) const;
1625   void ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1626                          Pass *P);
1627
1628 public:
1629   LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P);
1630
1631   bool getChanged() const { return Changed; }
1632
1633   void print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const;
1634   void print_fixups(raw_ostream &OS) const;
1635   void print_uses(raw_ostream &OS) const;
1636   void print(raw_ostream &OS) const;
1637   void dump() const;
1638 };
1639
1640 }
1641
1642 /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
1643 /// inside the loop then try to eliminate the cast operation.
1644 void LSRInstance::OptimizeShadowIV() {
1645   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1646   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1647     return;
1648
1649   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end();
1650        UI != E; /* empty */) {
1651     IVUsers::const_iterator CandidateUI = UI;
1652     ++UI;
1653     Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
1654     Type *DestTy = NULL;
1655     bool IsSigned = false;
1656
1657     /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
1658        to eliminate this cast.
1659
1660          for (unsigned i = 0; i < n; ++i)
1661            foo((double)i);
1662
1663        is transformed into
1664
1665          double d = 0.0;
1666          for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d)
1667            foo(d);
1668     */
1669     if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1670       IsSigned = false;
1671       DestTy = UCast->getDestTy();
1672     }
1673     else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1674       IsSigned = true;
1675       DestTy = SCast->getDestTy();
1676     }
1677     if (!DestTy) continue;
1678
1679     if (TLI) {
1680       // If target does not support DestTy natively then do not apply
1681       // this transformation.
1682       EVT DVT = TLI->getValueType(DestTy);
1683       if (!TLI->isTypeLegal(DVT)) continue;
1684     }
1685
1686     PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
1687     if (!PH) continue;
1688     if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
1689
1690     Type *SrcTy = PH->getType();
1691     int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
1692     if (Mantissa == -1) continue;
1693     if ((int)SE.getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
1694       continue;
1695
1696     unsigned Entry, Latch;
1697     if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
1698       Entry = 0;
1699       Latch = 1;
1700     } else {
1701       Entry = 1;
1702       Latch = 0;
1703     }
1704
1705     ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
1706     if (!Init) continue;
1707     Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, IsSigned ?
1708                                         (double)Init->getSExtValue() :
1709                                         (double)Init->getZExtValue());
1710
1711     BinaryOperator *Incr =
1712       dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
1713     if (!Incr) continue;
1714     if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
1715         && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
1716       continue;
1717
1718     /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
1719     ConstantInt *C = NULL;
1720     if (Incr->getOperand(0) == PH)
1721       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
1722     else if (Incr->getOperand(1) == PH)
1723       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
1724     else
1725       continue;
1726
1727     if (!C) continue;
1728
1729     // Ignore negative constants, as the code below doesn't handle them
1730     // correctly. TODO: Remove this restriction.
1731     if (!C->getValue().isStrictlyPositive()) continue;
1732
1733     /* Add new PHINode. */
1734     PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, 2, "IV.S.", PH);
1735
1736     /* create new increment. '++d' in above example. */
1737     Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
1738     BinaryOperator *NewIncr =
1739       BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
1740                                Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
1741                              NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
1742
1743     NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
1744     NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
1745
1746     /* Remove cast operation */
1747     ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
1748     ShadowUse->eraseFromParent();
1749     Changed = true;
1750     break;
1751   }
1752 }
1753
1754 /// FindIVUserForCond - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1755 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1756 /// false.
1757 bool LSRInstance::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse) {
1758   for (IVUsers::iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1759     if (UI->getUser() == Cond) {
1760       // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1761       // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1762       // occurs enough in real life to handle.
1763       CondUse = UI;
1764       return true;
1765     }
1766   return false;
1767 }
1768
1769 /// OptimizeMax - Rewrite the loop's terminating condition if it uses
1770 /// a max computation.
1771 ///
1772 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
1773 /// like this:
1774 ///
1775 ///   i = 0;
1776 ///   do {
1777 ///     p[i] = 0.0;
1778 ///   } while (++i < n);
1779 ///
1780 /// the trip count isn't just 'n', because 'n' might not be positive. And
1781 /// unfortunately this can come up even for loops where the user didn't use
1782 /// a C do-while loop. For example, seemingly well-behaved top-test loops
1783 /// will commonly be lowered like this:
1784 //
1785 ///   if (n > 0) {
1786 ///     i = 0;
1787 ///     do {
1788 ///       p[i] = 0.0;
1789 ///     } while (++i < n);
1790 ///   }
1791 ///
1792 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
1793 /// test in such a way that indvars can't find it.
1794 ///
1795 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
1796 /// max expression, which allows it to give the loop a canonical
1797 /// induction variable:
1798 ///
1799 ///   i = 0;
1800 ///   max = n < 1 ? 1 : n;
1801 ///   do {
1802 ///     p[i] = 0.0;
1803 ///   } while (++i != max);
1804 ///
1805 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
1806 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
1807 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
1808 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
1809 /// needed, and it does this using a simple analysis that only succeeds if
1810 /// the loop has a canonical induction variable.
1811 ///
1812 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
1813 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
1814 ///
1815 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
1816 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
1817 /// the instructions for the maximum computation.
1818 ///
1819 ICmpInst *LSRInstance::OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse) {
1820   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
1821   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
1822       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
1823     return Cond;
1824
1825   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
1826   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
1827
1828   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1829   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1830     return Cond;
1831   const SCEV *One = SE.getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1);
1832
1833   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
1834   const SCEV *IterationCount = SE.getAddExpr(One, BackedgeTakenCount);
1835   if (IterationCount != SE.getSCEV(Sel)) return Cond;
1836
1837   // Check for a max calculation that matches the pattern. There's no check
1838   // for ICMP_ULE here because the comparison would be with zero, which
1839   // isn't interesting.
1840   CmpInst::Predicate Pred = ICmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
1841   const SCEVNAryExpr *Max = 0;
1842   if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(BackedgeTakenCount)) {
1843     Pred = ICmpInst::ICMP_SLE;
1844     Max = S;
1845   } else if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(IterationCount)) {
1846     Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
1847     Max = S;
1848   } else if (const SCEVUMaxExpr *U = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(IterationCount)) {
1849     Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
1850     Max = U;
1851   } else {
1852     // No match; bail.
1853     return Cond;
1854   }
1855
1856   // To handle a max with more than two operands, this optimization would
1857   // require additional checking and setup.
1858   if (Max->getNumOperands() != 2)
1859     return Cond;
1860
1861   const SCEV *MaxLHS = Max->getOperand(0);
1862   const SCEV *MaxRHS = Max->getOperand(1);
1863
1864   // ScalarEvolution canonicalizes constants to the left. For < and >, look
1865   // for a comparison with 1. For <= and >=, a comparison with zero.
1866   if (!MaxLHS ||
1867       (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred) ? !MaxLHS->isZero() : (MaxLHS != One)))
1868     return Cond;
1869
1870   // Check the relevant induction variable for conformance to
1871   // the pattern.
1872   const SCEV *IV = SE.getSCEV(Cond->getOperand(0));
1873   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
1874   if (!AR || !AR->isAffine() ||
1875       AR->getStart() != One ||
1876       AR->getStepRecurrence(SE) != One)
1877     return Cond;
1878
1879   assert(AR->getLoop() == L &&
1880          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
1881
1882   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
1883   // be used in the new comparison instruction.
1884   Value *NewRHS = 0;
1885   if (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred)) {
1886     // Look for n+1, and grab n.
1887     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(1)))
1888       if (isa<ConstantInt>(BO->getOperand(1)) &&
1889           cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1))->isOne() &&
1890           SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
1891         NewRHS = BO->getOperand(0);
1892     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(2)))
1893       if (isa<ConstantInt>(BO->getOperand(1)) &&
1894           cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1))->isOne() &&
1895           SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
1896         NewRHS = BO->getOperand(0);
1897     if (!NewRHS)
1898       return Cond;
1899   } else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(1)) == MaxRHS)
1900     NewRHS = Sel->getOperand(1);
1901   else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(2)) == MaxRHS)
1902     NewRHS = Sel->getOperand(2);
1903   else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(MaxRHS))
1904     NewRHS = SU->getValue();
1905   else
1906     // Max doesn't match expected pattern.
1907     return Cond;
1908
1909   // Determine the new comparison opcode. It may be signed or unsigned,
1910   // and the original comparison may be either equality or inequality.
1911   if (Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_EQ)
1912     Pred = CmpInst::getInversePredicate(Pred);
1913
1914   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
1915   // delete the max calculation.
1916   ICmpInst *NewCond =
1917     new ICmpInst(Cond, Pred, Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp");
1918
1919   // Delete the max calculation instructions.
1920   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
1921   CondUse->setUser(NewCond);
1922   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
1923   Cond->eraseFromParent();
1924   Sel->eraseFromParent();
1925   if (Cmp->use_empty())
1926     Cmp->eraseFromParent();
1927   return NewCond;
1928 }
1929
1930 /// OptimizeLoopTermCond - Change loop terminating condition to use the
1931 /// postinc iv when possible.
1932 void
1933 LSRInstance::OptimizeLoopTermCond() {
1934   SmallPtrSet<Instruction *, 4> PostIncs;
1935
1936   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1937   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
1938   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
1939
1940   for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
1941     BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
1942
1943     // Get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1944     // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1945     // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1946     // one register value.
1947
1948     BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1949     if (!TermBr)
1950       continue;
1951     // FIXME: Overly conservative, termination condition could be an 'or' etc..
1952     if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1953       continue;
1954
1955     // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1956     IVStrideUse *CondUse = 0;
1957     ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1958     if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse))
1959       continue;
1960
1961     // If the trip count is computed in terms of a max (due to ScalarEvolution
1962     // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
1963     // comparison to use SLT or ULT instead of NE.
1964     // One consequence of doing this now is that it disrupts the count-down
1965     // optimization. That's not always a bad thing though, because in such
1966     // cases it may still be worthwhile to avoid a max.
1967     Cond = OptimizeMax(Cond, CondUse);
1968
1969     // If this exiting block dominates the latch block, it may also use
1970     // the post-inc value if it won't be shared with other uses.
1971     // Check for dominance.
1972     if (!DT.dominates(ExitingBlock, LatchBlock))
1973       continue;
1974
1975     // Conservatively avoid trying to use the post-inc value in non-latch
1976     // exits if there may be pre-inc users in intervening blocks.
1977     if (LatchBlock != ExitingBlock)
1978       for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1979         // Test if the use is reachable from the exiting block. This dominator
1980         // query is a conservative approximation of reachability.
1981         if (&*UI != CondUse &&
1982             !DT.properlyDominates(UI->getUser()->getParent(), ExitingBlock)) {
1983           // Conservatively assume there may be reuse if the quotient of their
1984           // strides could be a legal scale.
1985           const SCEV *A = IU.getStride(*CondUse, L);
1986           const SCEV *B = IU.getStride(*UI, L);
1987           if (!A || !B) continue;
1988           if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) !=
1989               SE.getTypeSizeInBits(B->getType())) {
1990             if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) >
1991                 SE.getTypeSizeInBits(B->getType()))
1992               B = SE.getSignExtendExpr(B, A->getType());
1993             else
1994               A = SE.getSignExtendExpr(A, B->getType());
1995           }
1996           if (const SCEVConstant *D =
1997                 dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(B, A, SE))) {
1998             const ConstantInt *C = D->getValue();
1999             // Stride of one or negative one can have reuse with non-addresses.
2000             if (C->isOne() || C->isAllOnesValue())
2001               goto decline_post_inc;
2002             // Avoid weird situations.
2003             if (C->getValue().getMinSignedBits() >= 64 ||
2004                 C->getValue().isMinSignedValue())
2005               goto decline_post_inc;
2006             // Without TLI, assume that any stride might be valid, and so any
2007             // use might be shared.
2008             if (!TLI)
2009               goto decline_post_inc;
2010             // Check for possible scaled-address reuse.
2011             Type *AccessTy = getAccessType(UI->getUser());
2012             TargetLowering::AddrMode AM;
2013             AM.Scale = C->getSExtValue();
2014             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
2015               goto decline_post_inc;
2016             AM.Scale = -AM.Scale;
2017             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
2018               goto decline_post_inc;
2019           }
2020         }
2021
2022     DEBUG(dbgs() << "  Change loop exiting icmp to use postinc iv: "
2023                  << *Cond << '\n');
2024
2025     // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
2026     // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
2027     // the exiting block branch, move it.
2028     if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != TermBr) {
2029       if (Cond->hasOneUse()) {
2030         Cond->moveBefore(TermBr);
2031       } else {
2032         // Clone the terminating condition and insert into the loopend.
2033         ICmpInst *OldCond = Cond;
2034         Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
2035         Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2036         ExitingBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
2037
2038         // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2039         CondUse = &IU.AddUser(Cond, CondUse->getOperandValToReplace());
2040         TermBr->replaceUsesOfWith(OldCond, Cond);
2041       }
2042     }
2043
2044     // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2045     // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2046     // live ranges for the IV correctly.
2047     CondUse->transformToPostInc(L);
2048     Changed = true;
2049
2050     PostIncs.insert(Cond);
2051   decline_post_inc:;
2052   }
2053
2054   // Determine an insertion point for the loop induction variable increment. It
2055   // must dominate all the post-inc comparisons we just set up, and it must
2056   // dominate the loop latch edge.
2057   IVIncInsertPos = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2058   for (SmallPtrSet<Instruction *, 4>::const_iterator I = PostIncs.begin(),
2059        E = PostIncs.end(); I != E; ++I) {
2060     BasicBlock *BB =
2061       DT.findNearestCommonDominator(IVIncInsertPos->getParent(),
2062                                     (*I)->getParent());
2063     if (BB == (*I)->getParent())
2064       IVIncInsertPos = *I;
2065     else if (BB != IVIncInsertPos->getParent())
2066       IVIncInsertPos = BB->getTerminator();
2067   }
2068 }
2069
2070 /// reconcileNewOffset - Determine if the given use can accommodate a fixup
2071 /// at the given offset and other details. If so, update the use and
2072 /// return true.
2073 bool
2074 LSRInstance::reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
2075                                 LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy) {
2076   int64_t NewMinOffset = LU.MinOffset;
2077   int64_t NewMaxOffset = LU.MaxOffset;
2078   Type *NewAccessTy = AccessTy;
2079
2080   // Check for a mismatched kind. It's tempting to collapse mismatched kinds to
2081   // something conservative, however this can pessimize in the case that one of
2082   // the uses will have all its uses outside the loop, for example.
2083   if (LU.Kind != Kind)
2084     return false;
2085   // Conservatively assume HasBaseReg is true for now.
2086   if (NewOffset < LU.MinOffset) {
2087     if (!isAlwaysFoldable(LU.MaxOffset - NewOffset, 0, HasBaseReg,
2088                           Kind, AccessTy, TLI))
2089       return false;
2090     NewMinOffset = NewOffset;
2091   } else if (NewOffset > LU.MaxOffset) {
2092     if (!isAlwaysFoldable(NewOffset - LU.MinOffset, 0, HasBaseReg,
2093                           Kind, AccessTy, TLI))
2094       return false;
2095     NewMaxOffset = NewOffset;
2096   }
2097   // Check for a mismatched access type, and fall back conservatively as needed.
2098   // TODO: Be less conservative when the type is similar and can use the same
2099   // addressing modes.
2100   if (Kind == LSRUse::Address && AccessTy != LU.AccessTy)
2101     NewAccessTy = Type::getVoidTy(AccessTy->getContext());
2102
2103   // Update the use.
2104   LU.MinOffset = NewMinOffset;
2105   LU.MaxOffset = NewMaxOffset;
2106   LU.AccessTy = NewAccessTy;
2107   if (NewOffset != LU.Offsets.back())
2108     LU.Offsets.push_back(NewOffset);
2109   return true;
2110 }
2111
2112 /// getUse - Return an LSRUse index and an offset value for a fixup which
2113 /// needs the given expression, with the given kind and optional access type.
2114 /// Either reuse an existing use or create a new one, as needed.
2115 std::pair<size_t, int64_t>
2116 LSRInstance::getUse(const SCEV *&Expr,
2117                     LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy) {
2118   const SCEV *Copy = Expr;
2119   int64_t Offset = ExtractImmediate(Expr, SE);
2120
2121   // Basic uses can't accept any offset, for example.
2122   if (!isAlwaysFoldable(Offset, 0, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy, TLI)) {
2123     Expr = Copy;
2124     Offset = 0;
2125   }
2126
2127   std::pair<UseMapTy::iterator, bool> P =
2128     UseMap.insert(std::make_pair(std::make_pair(Expr, Kind), 0));
2129   if (!P.second) {
2130     // A use already existed with this base.
2131     size_t LUIdx = P.first->second;
2132     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2133     if (reconcileNewOffset(LU, Offset, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy))
2134       // Reuse this use.
2135       return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2136   }
2137
2138   // Create a new use.
2139   size_t LUIdx = Uses.size();
2140   P.first->second = LUIdx;
2141   Uses.push_back(LSRUse(Kind, AccessTy));
2142   LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2143
2144   // We don't need to track redundant offsets, but we don't need to go out
2145   // of our way here to avoid them.
2146   if (LU.Offsets.empty() || Offset != LU.Offsets.back())
2147     LU.Offsets.push_back(Offset);
2148
2149   LU.MinOffset = Offset;
2150   LU.MaxOffset = Offset;
2151   return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2152 }
2153
2154 /// DeleteUse - Delete the given use from the Uses list.
2155 void LSRInstance::DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2156   if (&LU != &Uses.back())
2157     std::swap(LU, Uses.back());
2158   Uses.pop_back();
2159
2160   // Update RegUses.
2161   RegUses.SwapAndDropUse(LUIdx, Uses.size());
2162 }
2163
2164 /// FindUseWithFormula - Look for a use distinct from OrigLU which is has
2165 /// a formula that has the same registers as the given formula.
2166 LSRUse *
2167 LSRInstance::FindUseWithSimilarFormula(const Formula &OrigF,
2168                                        const LSRUse &OrigLU) {
2169   // Search all uses for the formula. This could be more clever.
2170   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2171     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2172     // Check whether this use is close enough to OrigLU, to see whether it's
2173     // worthwhile looking through its formulae.
2174     // Ignore ICmpZero uses because they may contain formulae generated by
2175     // GenerateICmpZeroScales, in which case adding fixup offsets may
2176     // be invalid.
2177     if (&LU != &OrigLU &&
2178         LU.Kind != LSRUse::ICmpZero &&
2179         LU.Kind == OrigLU.Kind && OrigLU.AccessTy == LU.AccessTy &&
2180         LU.WidestFixupType == OrigLU.WidestFixupType &&
2181         LU.HasFormulaWithSameRegs(OrigF)) {
2182       // Scan through this use's formulae.
2183       for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
2184            E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
2185         const Formula &F = *I;
2186         // Check to see if this formula has the same registers and symbols
2187         // as OrigF.
2188         if (F.BaseRegs == OrigF.BaseRegs &&
2189             F.ScaledReg == OrigF.ScaledReg &&
2190             F.AM.BaseGV == OrigF.AM.BaseGV &&
2191             F.AM.Scale == OrigF.AM.Scale &&
2192             F.UnfoldedOffset == OrigF.UnfoldedOffset) {
2193           if (F.AM.BaseOffs == 0)
2194             return &LU;
2195           // This is the formula where all the registers and symbols matched;
2196           // there aren't going to be any others. Since we declined it, we
2197           // can skip the rest of the formulae and proceed to the next LSRUse.
2198           break;
2199         }
2200       }
2201     }
2202   }
2203
2204   // Nothing looked good.
2205   return 0;
2206 }
2207
2208 void LSRInstance::CollectInterestingTypesAndFactors() {
2209   SmallSetVector<const SCEV *, 4> Strides;
2210
2211   // Collect interesting types and strides.
2212   SmallVector<const SCEV *, 4> Worklist;
2213   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
2214     const SCEV *Expr = IU.getExpr(*UI);
2215
2216     // Collect interesting types.
2217     Types.insert(SE.getEffectiveSCEVType(Expr->getType()));
2218
2219     // Add strides for mentioned loops.
2220     Worklist.push_back(Expr);
2221     do {
2222       const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2223       if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2224         if (AR->getLoop() == L)
2225           Strides.insert(AR->getStepRecurrence(SE));
2226         Worklist.push_back(AR->getStart());
2227       } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2228         Worklist.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
2229       }
2230     } while (!Worklist.empty());
2231   }
2232
2233   // Compute interesting factors from the set of interesting strides.
2234   for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator
2235        I = Strides.begin(), E = Strides.end(); I != E; ++I)
2236     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator NewStrideIter =
2237          llvm::next(I); NewStrideIter != E; ++NewStrideIter) {
2238       const SCEV *OldStride = *I;
2239       const SCEV *NewStride = *NewStrideIter;
2240
2241       if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) !=
2242           SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType())) {
2243         if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) >
2244             SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType()))
2245           NewStride = SE.getSignExtendExpr(NewStride, OldStride->getType());
2246         else
2247           OldStride = SE.getSignExtendExpr(OldStride, NewStride->getType());
2248       }
2249       if (const SCEVConstant *Factor =
2250             dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(NewStride, OldStride,
2251                                                         SE, true))) {
2252         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2253           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2254       } else if (const SCEVConstant *Factor =
2255                    dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(OldStride,
2256                                                                NewStride,
2257                                                                SE, true))) {
2258         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2259           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2260       }
2261     }
2262
2263   // If all uses use the same type, don't bother looking for truncation-based
2264   // reuse.
2265   if (Types.size() == 1)
2266     Types.clear();
2267
2268   DEBUG(print_factors_and_types(dbgs()));
2269 }
2270
2271 /// findIVOperand - Helper for CollectChains that finds an IV operand (computed
2272 /// by an AddRec in this loop) within [OI,OE) or returns OE. If IVUsers mapped
2273 /// Instructions to IVStrideUses, we could partially skip this.
2274 static User::op_iterator
2275 findIVOperand(User::op_iterator OI, User::op_iterator OE,
2276               Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
2277   for(; OI != OE; ++OI) {
2278     if (Instruction *Oper = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2279       if (!SE.isSCEVable(Oper->getType()))
2280         continue;
2281
2282       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
2283           dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Oper))) {
2284         if (AR->getLoop() == L)
2285           break;
2286       }
2287     }
2288   }
2289   return OI;
2290 }
2291
2292 /// getWideOperand - IVChain logic must consistenctly peek base TruncInst
2293 /// operands, so wrap it in a convenient helper.
2294 static Value *getWideOperand(Value *Oper) {
2295   if (TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(Oper))
2296     return Trunc->getOperand(0);
2297   return Oper;
2298 }
2299
2300 /// isCompatibleIVType - Return true if we allow an IV chain to include both
2301 /// types.
2302 static bool isCompatibleIVType(Value *LVal, Value *RVal) {
2303   Type *LType = LVal->getType();
2304   Type *RType = RVal->getType();
2305   return (LType == RType) || (LType->isPointerTy() && RType->isPointerTy());
2306 }
2307
2308 /// getExprBase - Return an approximation of this SCEV expression's "base", or
2309 /// NULL for any constant. Returning the expression itself is
2310 /// conservative. Returning a deeper subexpression is more precise and valid as
2311 /// long as it isn't less complex than another subexpression. For expressions
2312 /// involving multiple unscaled values, we need to return the pointer-type
2313 /// SCEVUnknown. This avoids forming chains across objects, such as:
2314 /// PrevOper==a[i], IVOper==b[i], IVInc==b-a.
2315 ///
2316 /// Since SCEVUnknown is the rightmost type, and pointers are the rightmost
2317 /// SCEVUnknown, we simply return the rightmost SCEV operand.
2318 static const SCEV *getExprBase(const SCEV *S) {
2319   switch (S->getSCEVType()) {
2320   default: // uncluding scUnknown.
2321     return S;
2322   case scConstant:
2323     return 0;
2324   case scTruncate:
2325     return getExprBase(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand());
2326   case scZeroExtend:
2327     return getExprBase(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand());
2328   case scSignExtend:
2329     return getExprBase(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand());
2330   case scAddExpr: {
2331     // Skip over scaled operands (scMulExpr) to follow add operands as long as
2332     // there's nothing more complex.
2333     // FIXME: not sure if we want to recognize negation.
2334     const SCEVAddExpr *Add = cast<SCEVAddExpr>(S);
2335     for (std::reverse_iterator<SCEVAddExpr::op_iterator> I(Add->op_end()),
2336            E(Add->op_begin()); I != E; ++I) {
2337       const SCEV *SubExpr = *I;
2338       if (SubExpr->getSCEVType() == scAddExpr)
2339         return getExprBase(SubExpr);
2340
2341       if (SubExpr->getSCEVType() != scMulExpr)
2342         return SubExpr;
2343     }
2344     return S; // all operands are scaled, be conservative.
2345   }
2346   case scAddRecExpr:
2347     return getExprBase(cast<SCEVAddRecExpr>(S)->getStart());
2348   }
2349 }
2350
2351 /// Return true if the chain increment is profitable to expand into a loop
2352 /// invariant value, which may require its own register. A profitable chain
2353 /// increment will be an offset relative to the same base. We allow such offsets
2354 /// to potentially be used as chain increment as long as it's not obviously
2355 /// expensive to expand using real instructions.
2356 bool IVChain::isProfitableIncrement(const SCEV *OperExpr,
2357                                     const SCEV *IncExpr,
2358                                     ScalarEvolution &SE) {
2359   // Aggressively form chains when -stress-ivchain.
2360   if (StressIVChain)
2361     return true;
2362
2363   // Do not replace a constant offset from IV head with a nonconstant IV
2364   // increment.
2365   if (!isa<SCEVConstant>(IncExpr)) {
2366     const SCEV *HeadExpr = SE.getSCEV(getWideOperand(Incs[0].IVOperand));
2367     if (isa<SCEVConstant>(SE.getMinusSCEV(OperExpr, HeadExpr)))
2368       return 0;
2369   }
2370
2371   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
2372   return !isHighCostExpansion(IncExpr, Processed, SE);
2373 }
2374
2375 /// Return true if the number of registers needed for the chain is estimated to
2376 /// be less than the number required for the individual IV users. First prohibit
2377 /// any IV users that keep the IV live across increments (the Users set should
2378 /// be empty). Next count the number and type of increments in the chain.
2379 ///
2380 /// Chaining IVs can lead to considerable code bloat if ISEL doesn't
2381 /// effectively use postinc addressing modes. Only consider it profitable it the
2382 /// increments can be computed in fewer registers when chained.
2383 ///
2384 /// TODO: Consider IVInc free if it's already used in another chains.
2385 static bool
2386 isProfitableChain(IVChain &Chain, SmallPtrSet<Instruction*, 4> &Users,
2387                   ScalarEvolution &SE, const TargetLowering *TLI) {
2388   if (StressIVChain)
2389     return true;
2390
2391   if (!Chain.hasIncs())
2392     return false;
2393
2394   if (!Users.empty()) {
2395     DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " users:\n";
2396           for (SmallPtrSet<Instruction*, 4>::const_iterator I = Users.begin(),
2397                  E = Users.end(); I != E; ++I) {
2398             dbgs() << "  " << **I << "\n";
2399           });
2400     return false;
2401   }
2402   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2403
2404   // The chain itself may require a register, so intialize cost to 1.
2405   int cost = 1;
2406
2407   // A complete chain likely eliminates the need for keeping the original IV in
2408   // a register. LSR does not currently know how to form a complete chain unless
2409   // the header phi already exists.
2410   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())
2411       && SE.getSCEV(Chain.tailUserInst()) == Chain.Incs[0].IncExpr) {
2412     --cost;
2413   }
2414   const SCEV *LastIncExpr = 0;
2415   unsigned NumConstIncrements = 0;
2416   unsigned NumVarIncrements = 0;
2417   unsigned NumReusedIncrements = 0;
2418   for (IVChain::const_iterator I = Chain.begin(), E = Chain.end();
2419        I != E; ++I) {
2420
2421     if (I->IncExpr->isZero())
2422       continue;
2423
2424     // Incrementing by zero or some constant is neutral. We assume constants can
2425     // be folded into an addressing mode or an add's immediate operand.
2426     if (isa<SCEVConstant>(I->IncExpr)) {
2427       ++NumConstIncrements;
2428       continue;
2429     }
2430
2431     if (I->IncExpr == LastIncExpr)
2432       ++NumReusedIncrements;
2433     else
2434       ++NumVarIncrements;
2435
2436     LastIncExpr = I->IncExpr;
2437   }
2438   // An IV chain with a single increment is handled by LSR's postinc
2439   // uses. However, a chain with multiple increments requires keeping the IV's
2440   // value live longer than it needs to be if chained.
2441   if (NumConstIncrements > 1)
2442     --cost;
2443
2444   // Materializing increment expressions in the preheader that didn't exist in
2445   // the original code may cost a register. For example, sign-extended array
2446   // indices can produce ridiculous increments like this:
2447   // IV + ((sext i32 (2 * %s) to i64) + (-1 * (sext i32 %s to i64)))
2448   cost += NumVarIncrements;
2449
2450   // Reusing variable increments likely saves a register to hold the multiple of
2451   // the stride.
2452   cost -= NumReusedIncrements;
2453
2454   DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " Cost: " << cost
2455                << "\n");
2456
2457   return cost < 0;
2458 }
2459
2460 /// ChainInstruction - Add this IV user to an existing chain or make it the head
2461 /// of a new chain.
2462 void LSRInstance::ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
2463                                    SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec) {
2464   // When IVs are used as types of varying widths, they are generally converted
2465   // to a wider type with some uses remaining narrow under a (free) trunc.
2466   Value *const NextIV = getWideOperand(IVOper);
2467   const SCEV *const OperExpr = SE.getSCEV(NextIV);
2468   const SCEV *const OperExprBase = getExprBase(OperExpr);
2469
2470   // Visit all existing chains. Check if its IVOper can be computed as a
2471   // profitable loop invariant increment from the last link in the Chain.
2472   unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2473   const SCEV *LastIncExpr = 0;
2474   for (; ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2475     IVChain &Chain = IVChainVec[ChainIdx];
2476
2477     // Prune the solution space aggressively by checking that both IV operands
2478     // are expressions that operate on the same unscaled SCEVUnknown. This
2479     // "base" will be canceled by the subsequent getMinusSCEV call. Checking
2480     // first avoids creating extra SCEV expressions.
2481     if (!StressIVChain && Chain.ExprBase != OperExprBase)
2482       continue;
2483
2484     Value *PrevIV = getWideOperand(Chain.Incs.back().IVOperand);
2485     if (!isCompatibleIVType(PrevIV, NextIV))
2486       continue;
2487
2488     // A phi node terminates a chain.
2489     if (isa<PHINode>(UserInst) && isa<PHINode>(Chain.tailUserInst()))
2490       continue;
2491
2492     // The increment must be loop-invariant so it can be kept in a register.
2493     const SCEV *PrevExpr = SE.getSCEV(PrevIV);
2494     const SCEV *IncExpr = SE.getMinusSCEV(OperExpr, PrevExpr);
2495     if (!SE.isLoopInvariant(IncExpr, L))
2496       continue;
2497
2498     if (Chain.isProfitableIncrement(OperExpr, IncExpr, SE)) {
2499       LastIncExpr = IncExpr;
2500       break;
2501     }
2502   }
2503   // If we haven't found a chain, create a new one, unless we hit the max. Don't
2504   // bother for phi nodes, because they must be last in the chain.
2505   if (ChainIdx == NChains) {
2506     if (isa<PHINode>(UserInst))
2507       return;
2508     if (NChains >= MaxChains && !StressIVChain) {
2509       DEBUG(dbgs() << "IV Chain Limit\n");
2510       return;
2511     }
2512     LastIncExpr = OperExpr;
2513     // IVUsers may have skipped over sign/zero extensions. We don't currently
2514     // attempt to form chains involving extensions unless they can be hoisted
2515     // into this loop's AddRec.
2516     if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LastIncExpr))
2517       return;
2518     ++NChains;
2519     IVChainVec.push_back(IVChain(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr),
2520                                  OperExprBase));
2521     ChainUsersVec.resize(NChains);
2522     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << " Head: (" << *UserInst
2523                  << ") IV=" << *LastIncExpr << "\n");
2524   } else {
2525     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << "  Inc: (" << *UserInst
2526                  << ") IV+" << *LastIncExpr << "\n");
2527     // Add this IV user to the end of the chain.
2528     IVChainVec[ChainIdx].add(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr));
2529   }
2530
2531   SmallPtrSet<Instruction*,4> &NearUsers = ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers;
2532   // This chain's NearUsers become FarUsers.
2533   if (!LastIncExpr->isZero()) {
2534     ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.insert(NearUsers.begin(),
2535                                             NearUsers.end());
2536     NearUsers.clear();
2537   }
2538
2539   // All other uses of IVOperand become near uses of the chain.
2540   // We currently ignore intermediate values within SCEV expressions, assuming
2541   // they will eventually be used be the current chain, or can be computed
2542   // from one of the chain increments. To be more precise we could
2543   // transitively follow its user and only add leaf IV users to the set.
2544   for (Value::use_iterator UseIter = IVOper->use_begin(),
2545          UseEnd = IVOper->use_end(); UseIter != UseEnd; ++UseIter) {
2546     Instruction *OtherUse = dyn_cast<Instruction>(*UseIter);
2547     if (!OtherUse || OtherUse == UserInst)
2548       continue;
2549     if (SE.isSCEVable(OtherUse->getType())
2550         && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(OtherUse))
2551         && IU.isIVUserOrOperand(OtherUse)) {
2552       continue;
2553     }
2554     NearUsers.insert(OtherUse);
2555   }
2556
2557   // Since this user is part of the chain, it's no longer considered a use
2558   // of the chain.
2559   ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.erase(UserInst);
2560 }
2561
2562 /// CollectChains - Populate the vector of Chains.
2563 ///
2564 /// This decreases ILP at the architecture level. Targets with ample registers,
2565 /// multiple memory ports, and no register renaming probably don't want
2566 /// this. However, such targets should probably disable LSR altogether.
2567 ///
2568 /// The job of LSR is to make a reasonable choice of induction variables across
2569 /// the loop. Subsequent passes can easily "unchain" computation exposing more
2570 /// ILP *within the loop* if the target wants it.
2571 ///
2572 /// Finding the best IV chain is potentially a scheduling problem. Since LSR
2573 /// will not reorder memory operations, it will recognize this as a chain, but
2574 /// will generate redundant IV increments. Ideally this would be corrected later
2575 /// by a smart scheduler:
2576 ///        = A[i]
2577 ///        = A[i+x]
2578 /// A[i]   =
2579 /// A[i+x] =
2580 ///
2581 /// TODO: Walk the entire domtree within this loop, not just the path to the
2582 /// loop latch. This will discover chains on side paths, but requires
2583 /// maintaining multiple copies of the Chains state.
2584 void LSRInstance::CollectChains() {
2585   DEBUG(dbgs() << "Collecting IV Chains.\n");
2586   SmallVector<ChainUsers, 8> ChainUsersVec;
2587
2588   SmallVector<BasicBlock *,8> LatchPath;
2589   BasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2590   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopLatch());
2591        Rung->getBlock() != LoopHeader; Rung = Rung->getIDom()) {
2592     LatchPath.push_back(Rung->getBlock());
2593   }
2594   LatchPath.push_back(LoopHeader);
2595
2596   // Walk the instruction stream from the loop header to the loop latch.
2597   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::reverse_iterator
2598          BBIter = LatchPath.rbegin(), BBEnd = LatchPath.rend();
2599        BBIter != BBEnd; ++BBIter) {
2600     for (BasicBlock::iterator I = (*BBIter)->begin(), E = (*BBIter)->end();
2601          I != E; ++I) {
2602       // Skip instructions that weren't seen by IVUsers analysis.
2603       if (isa<PHINode>(I) || !IU.isIVUserOrOperand(I))
2604         continue;
2605
2606       // Ignore users that are part of a SCEV expression. This way we only
2607       // consider leaf IV Users. This effectively rediscovers a portion of
2608       // IVUsers analysis but in program order this time.
2609       if (SE.isSCEVable(I->getType()) && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(I)))
2610         continue;
2611
2612       // Remove this instruction from any NearUsers set it may be in.
2613       for (unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2614            ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2615         ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers.erase(I);
2616       }
2617       // Search for operands that can be chained.
2618       SmallPtrSet<Instruction*, 4> UniqueOperands;
2619       User::op_iterator IVOpEnd = I->op_end();
2620       User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(I->op_begin(), IVOpEnd, L, SE);
2621       while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2622         Instruction *IVOpInst = cast<Instruction>(*IVOpIter);
2623         if (UniqueOperands.insert(IVOpInst))
2624           ChainInstruction(I, IVOpInst, ChainUsersVec);
2625         IVOpIter = findIVOperand(llvm::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2626       }
2627     } // Continue walking down the instructions.
2628   } // Continue walking down the domtree.
2629   // Visit phi backedges to determine if the chain can generate the IV postinc.
2630   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2631        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2632     if (!SE.isSCEVable(PN->getType()))
2633       continue;
2634
2635     Instruction *IncV =
2636       dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2637     if (IncV)
2638       ChainInstruction(PN, IncV, ChainUsersVec);
2639   }
2640   // Remove any unprofitable chains.
2641   unsigned ChainIdx = 0;
2642   for (unsigned UsersIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2643        UsersIdx < NChains; ++UsersIdx) {
2644     if (!isProfitableChain(IVChainVec[UsersIdx],
2645                            ChainUsersVec[UsersIdx].FarUsers, SE, TLI))
2646       continue;
2647     // Preserve the chain at UsesIdx.
2648     if (ChainIdx != UsersIdx)
2649       IVChainVec[ChainIdx] = IVChainVec[UsersIdx];
2650     FinalizeChain(IVChainVec[ChainIdx]);
2651     ++ChainIdx;
2652   }
2653   IVChainVec.resize(ChainIdx);
2654 }
2655
2656 void LSRInstance::FinalizeChain(IVChain &Chain) {
2657   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2658   DEBUG(dbgs() << "Final Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << "\n");
2659
2660   for (IVChain::const_iterator I = Chain.begin(), E = Chain.end();
2661        I != E; ++I) {
2662     DEBUG(dbgs() << "        Inc: " << *I->UserInst << "\n");
2663     User::op_iterator UseI =
2664       std::find(I->UserInst->op_begin(), I->UserInst->op_end(), I->IVOperand);
2665     assert(UseI != I->UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2666     IVIncSet.insert(UseI);
2667   }
2668 }
2669
2670 /// Return true if the IVInc can be folded into an addressing mode.
2671 static bool canFoldIVIncExpr(const SCEV *IncExpr, Instruction *UserInst,
2672                              Value *Operand, const TargetLowering *TLI) {
2673   const SCEVConstant *IncConst = dyn_cast<SCEVConstant>(IncExpr);
2674   if (!IncConst || !isAddressUse(UserInst, Operand))
2675     return false;
2676
2677   if (IncConst->getValue()->getValue().getMinSignedBits() > 64)
2678     return false;
2679
2680   int64_t IncOffset = IncConst->getValue()->getSExtValue();
2681   if (!isAlwaysFoldable(IncOffset, /*BaseGV=*/0, /*HaseBaseReg=*/false,
2682                        LSRUse::Address, getAccessType(UserInst), TLI))
2683     return false;
2684
2685   return true;
2686 }
2687
2688 /// GenerateIVChains - Generate an add or subtract for each IVInc in a chain to
2689 /// materialize the IV user's operand from the previous IV user's operand.
2690 void LSRInstance::GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
2691                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
2692   // Find the new IVOperand for the head of the chain. It may have been replaced
2693   // by LSR.
2694   const IVInc &Head = Chain.Incs[0];
2695   User::op_iterator IVOpEnd = Head.UserInst->op_end();
2696   User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(Head.UserInst->op_begin(),
2697                                              IVOpEnd, L, SE);
2698   Value *IVSrc = 0;
2699   while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2700     IVSrc = getWideOperand(*IVOpIter);
2701
2702     // If this operand computes the expression that the chain needs, we may use
2703     // it. (Check this after setting IVSrc which is used below.)
2704     //
2705     // Note that if Head.IncExpr is wider than IVSrc, then this phi is too
2706     // narrow for the chain, so we can no longer use it. We do allow using a
2707     // wider phi, assuming the LSR checked for free truncation. In that case we
2708     // should already have a truncate on this operand such that
2709     // getSCEV(IVSrc) == IncExpr.
2710     if (SE.getSCEV(*IVOpIter) == Head.IncExpr
2711         || SE.getSCEV(IVSrc) == Head.IncExpr) {
2712       break;
2713     }
2714     IVOpIter = findIVOperand(llvm::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2715   }
2716   if (IVOpIter == IVOpEnd) {
2717     // Gracefully give up on this chain.
2718     DEBUG(dbgs() << "Concealed chain head: " << *Head.UserInst << "\n");
2719     return;
2720   }
2721
2722   DEBUG(dbgs() << "Generate chain at: " << *IVSrc << "\n");
2723   Type *IVTy = IVSrc->getType();
2724   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(IVTy);
2725   const SCEV *LeftOverExpr = 0;
2726   for (IVChain::const_iterator IncI = Chain.begin(),
2727          IncE = Chain.end(); IncI != IncE; ++IncI) {
2728
2729     Instruction *InsertPt = IncI->UserInst;
2730     if (isa<PHINode>(InsertPt))
2731       InsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2732
2733     // IVOper will replace the current IV User's operand. IVSrc is the IV
2734     // value currently held in a register.
2735     Value *IVOper = IVSrc;
2736     if (!IncI->IncExpr->isZero()) {
2737       // IncExpr was the result of subtraction of two narrow values, so must
2738       // be signed.
2739       const SCEV *IncExpr = SE.getNoopOrSignExtend(IncI->IncExpr, IntTy);
2740       LeftOverExpr = LeftOverExpr ?
2741         SE.getAddExpr(LeftOverExpr, IncExpr) : IncExpr;
2742     }
2743     if (LeftOverExpr && !LeftOverExpr->isZero()) {
2744       // Expand the IV increment.
2745       Rewriter.clearPostInc();
2746       Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(LeftOverExpr, IntTy, InsertPt);
2747       const SCEV *IVOperExpr = SE.getAddExpr(SE.getUnknown(IVSrc),
2748                                              SE.getUnknown(IncV));
2749       IVOper = Rewriter.expandCodeFor(IVOperExpr, IVTy, InsertPt);
2750
2751       // If an IV increment can't be folded, use it as the next IV value.
2752       if (!canFoldIVIncExpr(LeftOverExpr, IncI->UserInst, IncI->IVOperand,
2753                             TLI)) {
2754         assert(IVTy == IVOper->getType() && "inconsistent IV increment type");
2755         IVSrc = IVOper;
2756         LeftOverExpr = 0;
2757       }
2758     }
2759     Type *OperTy = IncI->IVOperand->getType();
2760     if (IVTy != OperTy) {
2761       assert(SE.getTypeSizeInBits(IVTy) >= SE.getTypeSizeInBits(OperTy) &&
2762              "cannot extend a chained IV");
2763       IRBuilder<> Builder(InsertPt);
2764       IVOper = Builder.CreateTruncOrBitCast(IVOper, OperTy, "lsr.chain");
2765     }
2766     IncI->UserInst->replaceUsesOfWith(IncI->IVOperand, IVOper);
2767     DeadInsts.push_back(IncI->IVOperand);
2768   }
2769   // If LSR created a new, wider phi, we may also replace its postinc. We only
2770   // do this if we also found a wide value for the head of the chain.
2771   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())) {
2772     for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2773          PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2774       if (!isCompatibleIVType(Phi, IVSrc))
2775         continue;
2776       Instruction *PostIncV = dyn_cast<Instruction>(
2777         Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2778       if (!PostIncV || (SE.getSCEV(PostIncV) != SE.getSCEV(IVSrc)))
2779         continue;
2780       Value *IVOper = IVSrc;
2781       Type *PostIncTy = PostIncV->getType();
2782       if (IVTy != PostIncTy) {
2783         assert(PostIncTy->isPointerTy() && "mixing int/ptr IV types");
2784         IRBuilder<> Builder(L->getLoopLatch()->getTerminator());
2785         Builder.SetCurrentDebugLocation(PostIncV->getDebugLoc());
2786         IVOper = Builder.CreatePointerCast(IVSrc, PostIncTy, "lsr.chain");
2787       }
2788       Phi->replaceUsesOfWith(PostIncV, IVOper);
2789       DeadInsts.push_back(PostIncV);
2790     }
2791   }
2792 }
2793
2794 void LSRInstance::CollectFixupsAndInitialFormulae() {
2795   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
2796     Instruction *UserInst = UI->getUser();
2797     // Skip IV users that are part of profitable IV Chains.
2798     User::op_iterator UseI = std::find(UserInst->op_begin(), UserInst->op_end(),
2799                                        UI->getOperandValToReplace());
2800     assert(UseI != UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2801     if (IVIncSet.count(UseI))
2802       continue;
2803
2804     // Record the uses.
2805     LSRFixup &LF = getNewFixup();
2806     LF.UserInst = UserInst;
2807     LF.OperandValToReplace = UI->getOperandValToReplace();
2808     LF.PostIncLoops = UI->getPostIncLoops();
2809
2810     LSRUse::KindType Kind = LSRUse::Basic;
2811     Type *AccessTy = 0;
2812     if (isAddressUse(LF.UserInst, LF.OperandValToReplace)) {
2813       Kind = LSRUse::Address;
2814       AccessTy = getAccessType(LF.UserInst);
2815     }
2816
2817     const SCEV *S = IU.getExpr(*UI);
2818
2819     // Equality (== and !=) ICmps are special. We can rewrite (i == N) as
2820     // (N - i == 0), and this allows (N - i) to be the expression that we work
2821     // with rather than just N or i, so we can consider the register
2822     // requirements for both N and i at the same time. Limiting this code to
2823     // equality icmps is not a problem because all interesting loops use
2824     // equality icmps, thanks to IndVarSimplify.
2825     if (ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(LF.UserInst))
2826       if (CI->isEquality()) {
2827         // Swap the operands if needed to put the OperandValToReplace on the
2828         // left, for consistency.
2829         Value *NV = CI->getOperand(1);
2830         if (NV == LF.OperandValToReplace) {
2831           CI->setOperand(1, CI->getOperand(0));
2832           CI->setOperand(0, NV);
2833           NV = CI->getOperand(1);
2834           Changed = true;
2835         }
2836
2837         // x == y  -->  x - y == 0
2838         const SCEV *N = SE.getSCEV(NV);
2839         if (SE.isLoopInvariant(N, L)) {
2840           // S is normalized, so normalize N before folding it into S
2841           // to keep the result normalized.
2842           N = TransformForPostIncUse(Normalize, N, CI, 0,
2843                                      LF.PostIncLoops, SE, DT);
2844           Kind = LSRUse::ICmpZero;
2845           S = SE.getMinusSCEV(N, S);
2846         }
2847
2848         // -1 and the negations of all interesting strides (except the negation
2849         // of -1) are now also interesting.
2850         for (size_t i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
2851           if (Factors[i] != -1)
2852             Factors.insert(-(uint64_t)Factors[i]);
2853         Factors.insert(-1);
2854       }
2855
2856     // Set up the initial formula for this use.
2857     std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, Kind, AccessTy);
2858     LF.LUIdx = P.first;
2859     LF.Offset = P.second;
2860     LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
2861     LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
2862     if (!LU.WidestFixupType ||
2863         SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
2864         SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
2865       LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
2866
2867     // If this is the first use of this LSRUse, give it a formula.
2868     if (LU.Formulae.empty()) {
2869       InsertInitialFormula(S, LU, LF.LUIdx);
2870       CountRegisters(LU.Formulae.back(), LF.LUIdx);
2871     }
2872   }
2873
2874   DEBUG(print_fixups(dbgs()));
2875 }
2876
2877 /// InsertInitialFormula - Insert a formula for the given expression into
2878 /// the given use, separating out loop-variant portions from loop-invariant
2879 /// and loop-computable portions.
2880 void
2881 LSRInstance::InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2882   Formula F;
2883   F.InitialMatch(S, L, SE);
2884   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2885   assert(Inserted && "Initial formula already exists!"); (void)Inserted;
2886 }
2887
2888 /// InsertSupplementalFormula - Insert a simple single-register formula for
2889 /// the given expression into the given use.
2890 void
2891 LSRInstance::InsertSupplementalFormula(const SCEV *S,
2892                                        LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2893   Formula F;
2894   F.BaseRegs.push_back(S);
2895   F.AM.HasBaseReg = true;
2896   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2897   assert(Inserted && "Supplemental formula already exists!"); (void)Inserted;
2898 }
2899
2900 /// CountRegisters - Note which registers are used by the given formula,
2901 /// updating RegUses.
2902 void LSRInstance::CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx) {
2903   if (F.ScaledReg)
2904     RegUses.CountRegister(F.ScaledReg, LUIdx);
2905   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
2906        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I)
2907     RegUses.CountRegister(*I, LUIdx);
2908 }
2909
2910 /// InsertFormula - If the given formula has not yet been inserted, add it to
2911 /// the list, and return true. Return false otherwise.
2912 bool LSRInstance::InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F) {
2913   if (!LU.InsertFormula(F))
2914     return false;
2915
2916   CountRegisters(F, LUIdx);
2917   return true;
2918 }
2919
2920 /// CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae - Check for other uses of
2921 /// loop-invariant values which we're tracking. These other uses will pin these
2922 /// values in registers, making them less profitable for elimination.
2923 /// TODO: This currently misses non-constant addrec step registers.
2924 /// TODO: Should this give more weight to users inside the loop?
2925 void
2926 LSRInstance::CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae() {
2927   SmallVector<const SCEV *, 8> Worklist(RegUses.begin(), RegUses.end());
2928   SmallPtrSet<const SCEV *, 8> Inserted;
2929
2930   while (!Worklist.empty()) {
2931     const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2932
2933     if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S))
2934       Worklist.append(N->op_begin(), N->op_end());
2935     else if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
2936       Worklist.push_back(C->getOperand());
2937     else if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
2938       Worklist.push_back(D->getLHS());
2939       Worklist.push_back(D->getRHS());
2940     } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
2941       if (!Inserted.insert(U)) continue;
2942       const Value *V = U->getValue();
2943       if (const Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V)) {
2944         // Look for instructions defined outside the loop.
2945         if (L->contains(Inst)) continue;
2946       } else if (isa<UndefValue>(V))
2947         // Undef doesn't have a live range, so it doesn't matter.
2948         continue;
2949       for (Value::const_use_iterator UI = V->use_begin(), UE = V->use_end();
2950            UI != UE; ++UI) {
2951         const Instruction *UserInst = dyn_cast<Instruction>(*UI);
2952         // Ignore non-instructions.
2953         if (!UserInst)
2954           continue;
2955         // Ignore instructions in other functions (as can happen with
2956         // Constants).
2957         if (UserInst->getParent()->getParent() != L->getHeader()->getParent())
2958           continue;
2959         // Ignore instructions not dominated by the loop.
2960         const BasicBlock *UseBB = !isa<PHINode>(UserInst) ?
2961           UserInst->getParent() :
2962           cast<PHINode>(UserInst)->getIncomingBlock(
2963             PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo()));
2964         if (!DT.dominates(L->getHeader(), UseBB))
2965           continue;
2966         // Ignore uses which are part of other SCEV expressions, to avoid
2967         // analyzing them multiple times.
2968         if (SE.isSCEVable(UserInst->getType())) {
2969           const SCEV *UserS = SE.getSCEV(const_cast<Instruction *>(UserInst));
2970           // If the user is a no-op, look through to its uses.
2971           if (!isa<SCEVUnknown>(UserS))
2972             continue;
2973           if (UserS == U) {
2974             Worklist.push_back(
2975               SE.getUnknown(const_cast<Instruction *>(UserInst)));
2976             continue;
2977           }
2978         }
2979         // Ignore icmp instructions which are already being analyzed.
2980         if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UserInst)) {
2981           unsigned OtherIdx = !UI.getOperandNo();
2982           Value *OtherOp = const_cast<Value *>(ICI->getOperand(OtherIdx));
2983           if (SE.hasComputableLoopEvolution(SE.getSCEV(OtherOp), L))
2984             continue;
2985         }
2986
2987         LSRFixup &LF = getNewFixup();
2988         LF.UserInst = const_cast<Instruction *>(UserInst);
2989         LF.OperandValToReplace = UI.getUse();
2990         std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, LSRUse::Basic, 0);
2991         LF.LUIdx = P.first;
2992         LF.Offset = P.second;
2993         LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
2994         LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
2995         if (!LU.WidestFixupType ||
2996             SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
2997             SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
2998           LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
2999         InsertSupplementalFormula(U, LU, LF.LUIdx);
3000         CountRegisters(LU.Formulae.back(), Uses.size() - 1);
3001         break;
3002       }
3003     }
3004   }
3005 }
3006
3007 /// CollectSubexprs - Split S into subexpressions which can be pulled out into
3008 /// separate registers. If C is non-null, multiply each subexpression by C.
3009 static void CollectSubexprs(const SCEV *S, const SCEVConstant *C,
3010                             SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
3011                             const Loop *L,
3012                             ScalarEvolution &SE) {
3013   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
3014     // Break out add operands.
3015     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
3016          I != E; ++I)
3017       CollectSubexprs(*I, C, Ops, L, SE);
3018     return;
3019   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
3020     // Split a non-zero base out of an addrec.
3021     if (!AR->getStart()->isZero()) {
3022       CollectSubexprs(SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(AR->getType(), 0),
3023                                        AR->getStepRecurrence(SE),
3024                                        AR->getLoop(),
3025                                        //FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
3026                                        SCEV::FlagAnyWrap),
3027                       C, Ops, L, SE);
3028       CollectSubexprs(AR->getStart(), C, Ops, L, SE);
3029       return;
3030     }
3031   } else if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
3032     // Break (C * (a + b + c)) into C*a + C*b + C*c.
3033     if (Mul->getNumOperands() == 2)
3034       if (const SCEVConstant *Op0 =
3035             dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))) {
3036         CollectSubexprs(Mul->getOperand(1),
3037                         C ? cast<SCEVConstant>(SE.getMulExpr(C, Op0)) : Op0,
3038                         Ops, L, SE);
3039         return;
3040       }
3041   }
3042
3043   // Otherwise use the value itself, optionally with a scale applied.
3044   Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, S) : S);
3045 }
3046
3047 /// GenerateReassociations - Split out subexpressions from adds and the bases of
3048 /// addrecs.
3049 void LSRInstance::GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3050                                          Formula Base,
3051                                          unsigned Depth) {
3052   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
3053   if (Depth >= 3) return;
3054
3055   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3056     const SCEV *BaseReg = Base.BaseRegs[i];
3057
3058     SmallVector<const SCEV *, 8> AddOps;
3059     CollectSubexprs(BaseReg, 0, AddOps, L, SE);
3060
3061     if (AddOps.size() == 1) continue;
3062
3063     for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = AddOps.begin(),
3064          JE = AddOps.end(); J != JE; ++J) {
3065
3066       // Loop-variant "unknown" values are uninteresting; we won't be able to
3067       // do anything meaningful with them.
3068       if (isa<SCEVUnknown>(*J) && !SE.isLoopInvariant(*J, L))
3069         continue;
3070
3071       // Don't pull a constant into a register if the constant could be folded
3072       // into an immediate field.
3073       if (isAlwaysFoldable(*J, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3074                            Base.getNumRegs() > 1,
3075                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
3076         continue;
3077
3078       // Collect all operands except *J.
3079       SmallVector<const SCEV *, 8> InnerAddOps
3080         (((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).begin(), J);
3081       InnerAddOps.append
3082         (llvm::next(J), ((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).end());
3083
3084       // Don't leave just a constant behind in a register if the constant could
3085       // be folded into an immediate field.
3086       if (InnerAddOps.size() == 1 &&
3087           isAlwaysFoldable(InnerAddOps[0], LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3088                            Base.getNumRegs() > 1,
3089                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
3090         continue;
3091
3092       const SCEV *InnerSum = SE.getAddExpr(InnerAddOps);
3093       if (InnerSum->isZero())
3094         continue;
3095       Formula F = Base;
3096
3097       // Add the remaining pieces of the add back into the new formula.
3098       const SCEVConstant *InnerSumSC = dyn_cast<SCEVConstant>(InnerSum);
3099       if (TLI && InnerSumSC &&
3100           SE.getTypeSizeInBits(InnerSumSC->getType()) <= 64 &&
3101           TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3102                                    InnerSumSC->getValue()->getZExtValue())) {
3103         F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3104                            InnerSumSC->getValue()->getZExtValue();
3105         F.BaseRegs.erase(F.BaseRegs.begin() + i);
3106       } else
3107         F.BaseRegs[i] = InnerSum;
3108
3109       // Add J as its own register, or an unfolded immediate.
3110       const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*J);
3111       if (TLI && SC && SE.getTypeSizeInBits(SC->getType()) <= 64 &&
3112           TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3113                                    SC->getValue()->getZExtValue()))
3114         F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3115                            SC->getValue()->getZExtValue();
3116       else
3117         F.BaseRegs.push_back(*J);
3118
3119       if (InsertFormula(LU, LUIdx, F))
3120         // If that formula hadn't been seen before, recurse to find more like
3121         // it.
3122         GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae.back(), Depth+1);
3123     }
3124   }
3125 }
3126
3127 /// GenerateCombinations - Generate a formula consisting of all of the
3128 /// loop-dominating registers added into a single register.
3129 void LSRInstance::GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3130                                        Formula Base) {
3131   // This method is only interesting on a plurality of registers.
3132   if (Base.BaseRegs.size() <= 1) return;
3133
3134   Formula F = Base;
3135   F.BaseRegs.clear();
3136   SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
3137   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3138        I = Base.BaseRegs.begin(), E = Base.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
3139     const SCEV *BaseReg = *I;
3140     if (SE.properlyDominates(BaseReg, L->getHeader()) &&
3141         !SE.hasComputableLoopEvolution(BaseReg, L))
3142       Ops.push_back(BaseReg);
3143     else
3144       F.BaseRegs.push_back(BaseReg);
3145   }
3146   if (Ops.size() > 1) {
3147     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Ops);
3148     // TODO: If Sum is zero, it probably means ScalarEvolution missed an
3149     // opportunity to fold something. For now, just ignore such cases
3150     // rather than proceed with zero in a register.
3151     if (!Sum->isZero()) {
3152       F.BaseRegs.push_back(Sum);
3153       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3154     }
3155   }
3156 }
3157
3158 /// GenerateSymbolicOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3159 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3160                                           Formula Base) {
3161   // We can't add a symbolic offset if the address already contains one.
3162   if (Base.AM.BaseGV) return;
3163
3164   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3165     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
3166     GlobalValue *GV = ExtractSymbol(G, SE);
3167     if (G->isZero() || !GV)
3168       continue;
3169     Formula F = Base;
3170     F.AM.BaseGV = GV;
3171     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3172                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3173       continue;
3174     F.BaseRegs[i] = G;
3175     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3176   }
3177 }
3178
3179 /// GenerateConstantOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3180 void LSRInstance::GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3181                                           Formula Base) {
3182   // TODO: For now, just add the min and max offset, because it usually isn't
3183   // worthwhile looking at everything inbetween.
3184   SmallVector<int64_t, 2> Worklist;
3185   Worklist.push_back(LU.MinOffset);
3186   if (LU.MaxOffset != LU.MinOffset)
3187     Worklist.push_back(LU.MaxOffset);
3188
3189   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3190     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
3191
3192     for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Worklist.begin(),
3193          E = Worklist.end(); I != E; ++I) {
3194       Formula F = Base;
3195       F.AM.BaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs - *I;
3196       if (isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset - *I, LU.MaxOffset - *I,
3197                      LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3198         // Add the offset to the base register.
3199         const SCEV *NewG = SE.getAddExpr(SE.getConstant(G->getType(), *I), G);
3200         // If it cancelled out, drop the base register, otherwise update it.
3201         if (NewG->isZero()) {
3202           std::swap(F.BaseRegs[i], F.BaseRegs.back());
3203           F.BaseRegs.pop_back();
3204         } else
3205           F.BaseRegs[i] = NewG;
3206
3207         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3208       }
3209     }
3210
3211     int64_t Imm = ExtractImmediate(G, SE);
3212     if (G->isZero() || Imm == 0)
3213       continue;
3214     Formula F = Base;
3215     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Imm;
3216     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3217                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3218       continue;
3219     F.BaseRegs[i] = G;
3220     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3221   }
3222 }
3223
3224 /// GenerateICmpZeroScales - For ICmpZero, check to see if we can scale up
3225 /// the comparison. For example, x == y -> x*c == y*c.
3226 void LSRInstance::GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3227                                          Formula Base) {
3228   if (LU.Kind != LSRUse::ICmpZero) return;
3229
3230   // Determine the integer type for the base formula.
3231   Type *IntTy = Base.getType();
3232   if (!IntTy) return;
3233   if (SE.getTypeSizeInBits(IntTy) > 64) return;
3234
3235   // Don't do this if there is more than one offset.
3236   if (LU.MinOffset != LU.MaxOffset) return;
3237
3238   assert(!Base.AM.BaseGV && "ICmpZero use is not legal!");
3239
3240   // Check each interesting stride.
3241   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
3242        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
3243     int64_t Factor = *I;
3244
3245     // Check that the multiplication doesn't overflow.
3246     if (Base.AM.BaseOffs == INT64_MIN && Factor == -1)
3247       continue;
3248     int64_t NewBaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs * Factor;
3249     if (NewBaseOffs / Factor != Base.AM.BaseOffs)
3250       continue;
3251
3252     // Check that multiplying with the use offset doesn't overflow.
3253     int64_t Offset = LU.MinOffset;
3254     if (Offset == INT64_MIN && Factor == -1)
3255       continue;
3256     Offset = (uint64_t)Offset * Factor;
3257     if (Offset / Factor != LU.MinOffset)
3258       continue;
3259
3260     Formula F = Base;
3261     F.AM.BaseOffs = NewBaseOffs;
3262
3263     // Check that this scale is legal.
3264     if (!isLegalUse(F.AM, Offset, Offset, LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3265       continue;
3266
3267     // Compensate for the use having MinOffset built into it.
3268     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Offset - LU.MinOffset;
3269
3270     const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3271
3272     // Check that multiplying with each base register doesn't overflow.
3273     for (size_t i = 0, e = F.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3274       F.BaseRegs[i] = SE.getMulExpr(F.BaseRegs[i], FactorS);
3275       if (getExactSDiv(F.BaseRegs[i], FactorS, SE) != Base.BaseRegs[i])
3276         goto next;
3277     }
3278
3279     // Check that multiplying with the scaled register doesn't overflow.
3280     if (F.ScaledReg) {
3281       F.ScaledReg = SE.getMulExpr(F.ScaledReg, FactorS);
3282       if (getExactSDiv(F.ScaledReg, FactorS, SE) != Base.ScaledReg)
3283         continue;
3284     }
3285
3286     // Check that multiplying with the unfolded offset doesn't overflow.
3287     if (F.UnfoldedOffset != 0) {
3288       if (F.UnfoldedOffset == INT64_MIN && Factor == -1)
3289         continue;
3290       F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset * Factor;
3291       if (F.UnfoldedOffset / Factor != Base.UnfoldedOffset)
3292         continue;
3293     }
3294
3295     // If we make it here and it's legal, add it.
3296     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3297   next:;
3298   }
3299 }
3300
3301 /// GenerateScales - Generate stride factor reuse formulae by making use of
3302 /// scaled-offset address modes, for example.
3303 void LSRInstance::GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3304   // Determine the integer type for the base formula.
3305   Type *IntTy = Base.getType();
3306   if (!IntTy) return;
3307
3308   // If this Formula already has a scaled register, we can't add another one.
3309   if (Base.AM.Scale != 0) return;
3310
3311   // Check each interesting stride.
3312   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
3313        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
3314     int64_t Factor = *I;
3315
3316     Base.AM.Scale = Factor;
3317     Base.AM.HasBaseReg = Base.BaseRegs.size() > 1;
3318     // Check whether this scale is going to be legal.
3319     if (!isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3320                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3321       // As a special-case, handle special out-of-loop Basic users specially.
3322       // TODO: Reconsider this special case.
3323       if (LU.Kind == LSRUse::Basic &&
3324           isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3325                      LSRUse::Special, LU.AccessTy, TLI) &&
3326           LU.AllFixupsOutsideLoop)
3327         LU.Kind = LSRUse::Special;
3328       else
3329         continue;
3330     }
3331     // For an ICmpZero, negating a solitary base register won't lead to
3332     // new solutions.
3333     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero &&
3334         !Base.AM.HasBaseReg && Base.AM.BaseOffs == 0 && !Base.AM.BaseGV)
3335       continue;
3336     // For each addrec base reg, apply the scale, if possible.
3337     for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3338       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
3339             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base.BaseRegs[i])) {
3340         const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3341         if (FactorS->isZero())
3342           continue;
3343         // Divide out the factor, ignoring high bits, since we'll be
3344         // scaling the value back up in the end.
3345         if (const SCEV *Quotient = getExactSDiv(AR, FactorS, SE, true)) {
3346           // TODO: This could be optimized to avoid all the copying.
3347           Formula F = Base;
3348           F.ScaledReg = Quotient;
3349           F.DeleteBaseReg(F.BaseRegs[i]);
3350           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3351         }
3352       }
3353   }
3354 }
3355
3356 /// GenerateTruncates - Generate reuse formulae from different IV types.
3357 void LSRInstance::GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3358   // This requires TargetLowering to tell us which truncates are free.
3359   if (!TLI) return;
3360
3361   // Don't bother truncating symbolic values.
3362   if (Base.AM.BaseGV) return;
3363
3364   // Determine the integer type for the base formula.
3365   Type *DstTy = Base.getType();
3366   if (!DstTy) return;
3367   DstTy = SE.getEffectiveSCEVType(DstTy);
3368
3369   for (SmallSetVector<Type *, 4>::const_iterator
3370        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
3371     Type *SrcTy = *I;
3372     if (SrcTy != DstTy && TLI->isTruncateFree(SrcTy, DstTy)) {
3373       Formula F = Base;
3374
3375       if (F.ScaledReg) F.ScaledReg = SE.getAnyExtendExpr(F.ScaledReg, *I);
3376       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator J = F.BaseRegs.begin(),
3377            JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J)
3378         *J = SE.getAnyExtendExpr(*J, SrcTy);
3379
3380       // TODO: This assumes we've done basic processing on all uses and
3381       // have an idea what the register usage is.
3382       if (!F.hasRegsUsedByUsesOtherThan(LUIdx, RegUses))
3383         continue;
3384
3385       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3386     }
3387   }
3388 }
3389
3390 namespace {
3391
3392 /// WorkItem - Helper class for GenerateCrossUseConstantOffsets. It's used to
3393 /// defer modifications so that the search phase doesn't have to worry about
3394 /// the data structures moving underneath it.
3395 struct WorkItem {
3396   size_t LUIdx;
3397   int64_t Imm;
3398   const SCEV *OrigReg;
3399
3400   WorkItem(size_t LI, int64_t I, const SCEV *R)
3401     : LUIdx(LI), Imm(I), OrigReg(R) {}
3402
3403   void print(raw_ostream &OS) const;
3404   void dump() const;
3405 };
3406
3407 }
3408
3409 void WorkItem::print(raw_ostream &OS) const {
3410   OS << "in formulae referencing " << *OrigReg << " in use " << LUIdx
3411      << " , add offset " << Imm;
3412 }
3413
3414 void WorkItem::dump() const {
3415   print(errs()); errs() << '\n';
3416 }
3417
3418 /// GenerateCrossUseConstantOffsets - Look for registers which are a constant
3419 /// distance apart and try to form reuse opportunities between them.
3420 void LSRInstance::GenerateCrossUseConstantOffsets() {
3421   // Group the registers by their value without any added constant offset.
3422   typedef std::map<int64_t, const SCEV *> ImmMapTy;
3423   typedef DenseMap<const SCEV *, ImmMapTy> RegMapTy;
3424   RegMapTy Map;
3425   DenseMap<const SCEV *, SmallBitVector> UsedByIndicesMap;
3426   SmallVector<const SCEV *, 8> Sequence;
3427   for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
3428        I != E; ++I) {
3429     const SCEV *Reg = *I;
3430     int64_t Imm = ExtractImmediate(Reg, SE);
3431     std::pair<RegMapTy::iterator, bool> Pair =
3432       Map.insert(std::make_pair(Reg, ImmMapTy()));
3433     if (Pair.second)
3434       Sequence.push_back(Reg);
3435     Pair.first->second.insert(std::make_pair(Imm, *I));
3436     UsedByIndicesMap[Reg] |= RegUses.getUsedByIndices(*I);
3437   }
3438
3439   // Now examine each set of registers with the same base value. Build up
3440   // a list of work to do and do the work in a separate step so that we're
3441   // not adding formulae and register counts while we're searching.
3442   SmallVector<WorkItem, 32> WorkItems;
3443   SmallSet<std::pair<size_t, int64_t>, 32> UniqueItems;
3444   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = Sequence.begin(),
3445        E = Sequence.end(); I != E; ++I) {
3446     const SCEV *Reg = *I;
3447     const ImmMapTy &Imms = Map.find(Reg)->second;
3448
3449     // It's not worthwhile looking for reuse if there's only one offset.
3450     if (Imms.size() == 1)
3451       continue;
3452
3453     DEBUG(dbgs() << "Generating cross-use offsets for " << *Reg << ':';
3454           for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3455                J != JE; ++J)
3456             dbgs() << ' ' << J->first;
3457           dbgs() << '\n');
3458
3459     // Examine each offset.
3460     for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3461          J != JE; ++J) {
3462       const SCEV *OrigReg = J->second;
3463
3464       int64_t JImm = J->first;
3465       const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(OrigReg);
3466
3467       if (!isa<SCEVConstant>(OrigReg) &&
3468           UsedByIndicesMap[Reg].count() == 1) {
3469         DEBUG(dbgs() << "Skipping cross-use reuse for " << *OrigReg << '\n');
3470         continue;
3471       }
3472
3473       // Conservatively examine offsets between this orig reg a few selected
3474       // other orig regs.
3475       ImmMapTy::const_iterator OtherImms[] = {
3476         Imms.begin(), prior(Imms.end()),
3477         Imms.lower_bound((Imms.begin()->first + prior(Imms.end())->first) / 2)
3478       };
3479       for (size_t i = 0, e = array_lengthof(OtherImms); i != e; ++i) {
3480         ImmMapTy::const_iterator M = OtherImms[i];
3481         if (M == J || M == JE) continue;
3482
3483         // Compute the difference between the two.
3484         int64_t Imm = (uint64_t)JImm - M->first;
3485         for (int LUIdx = UsedByIndices.find_first(); LUIdx != -1;
3486              LUIdx = UsedByIndices.find_next(LUIdx))
3487           // Make a memo of this use, offset, and register tuple.
3488           if (UniqueItems.insert(std::make_pair(LUIdx, Imm)))
3489             WorkItems.push_back(WorkItem(LUIdx, Imm, OrigReg));
3490       }
3491     }
3492   }
3493
3494   Map.clear();
3495   Sequence.clear();
3496   UsedByIndicesMap.clear();
3497   UniqueItems.clear();
3498
3499   // Now iterate through the worklist and add new formulae.
3500   for (SmallVectorImpl<WorkItem>::const_iterator I = WorkItems.begin(),
3501        E = WorkItems.end(); I != E; ++I) {
3502     const WorkItem &WI = *I;
3503     size_t LUIdx = WI.LUIdx;
3504     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3505     int64_t Imm = WI.Imm;
3506     const SCEV *OrigReg = WI.OrigReg;
3507
3508     Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(OrigReg->getType());
3509     const SCEV *NegImmS = SE.getSCEV(ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Imm));
3510     unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(IntTy);
3511
3512     // TODO: Use a more targeted data structure.
3513     for (size_t L = 0, LE = LU.Formulae.size(); L != LE; ++L) {
3514       const Formula &F = LU.Formulae[L];
3515       // Use the immediate in the scaled register.
3516       if (F.ScaledReg == OrigReg) {
3517         int64_t Offs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs +
3518                        Imm * (uint64_t)F.AM.Scale;
3519         // Don't create 50 + reg(-50).
3520         if (F.referencesReg(SE.getSCEV(
3521                    ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offs))))
3522           continue;
3523         Formula NewF = F;
3524         NewF.AM.BaseOffs = Offs;
3525         if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3526                         LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3527           continue;
3528         NewF.ScaledReg = SE.getAddExpr(NegImmS, NewF.ScaledReg);
3529
3530         // If the new scale is a constant in a register, and adding the constant
3531         // value to the immediate would produce a value closer to zero than the
3532         // immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3533         if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewF.ScaledReg))
3534           if (C->getValue()->isNegative() !=
3535                 (NewF.AM.BaseOffs < 0) &&
3536               (C->getValue()->getValue().abs() * APInt(BitWidth, F.AM.Scale))
3537                 .ule(abs64(NewF.AM.BaseOffs)))
3538             continue;
3539
3540         // OK, looks good.
3541         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3542       } else {
3543         // Use the immediate in a base register.
3544         for (size_t N = 0, NE = F.BaseRegs.size(); N != NE; ++N) {
3545           const SCEV *BaseReg = F.BaseRegs[N];
3546           if (BaseReg != OrigReg)
3547             continue;
3548           Formula NewF = F;
3549           NewF.AM.BaseOffs = (uint64_t)NewF.AM.BaseOffs + Imm;
3550           if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3551                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3552             if (!TLI ||
3553                 !TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm))
3554               continue;
3555             NewF = F;
3556             NewF.UnfoldedOffset = (uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm;
3557           }
3558           NewF.BaseRegs[N] = SE.getAddExpr(NegImmS, BaseReg);
3559
3560           // If the new formula has a constant in a register, and adding the
3561           // constant value to the immediate would produce a value closer to
3562           // zero than the immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3563           for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3564                J = NewF.BaseRegs.begin(), JE = NewF.BaseRegs.end();
3565                J != JE; ++J)
3566             if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*J))
3567               if ((C->getValue()->getValue() + NewF.AM.BaseOffs).abs().slt(
3568                    abs64(NewF.AM.BaseOffs)) &&
3569                   (C->getValue()->getValue() +
3570                    NewF.AM.BaseOffs).countTrailingZeros() >=
3571                    CountTrailingZeros_64(NewF.AM.BaseOffs))
3572                 goto skip_formula;
3573
3574           // Ok, looks good.
3575           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3576           break;
3577         skip_formula:;
3578         }
3579       }
3580     }
3581   }
3582 }
3583
3584 /// GenerateAllReuseFormulae - Generate formulae for each use.
3585 void
3586 LSRInstance::GenerateAllReuseFormulae() {
3587   // This is split into multiple loops so that hasRegsUsedByUsesOtherThan
3588   // queries are more precise.
3589   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3590     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3591     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3592       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3593     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3594       GenerateCombinations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3595   }
3596   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3597     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3598     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3599       GenerateSymbolicOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3600     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3601       GenerateConstantOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3602     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3603       GenerateICmpZeroScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3604     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3605       GenerateScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3606   }
3607   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3608     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3609     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3610       GenerateTruncates(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3611   }
3612
3613   GenerateCrossUseConstantOffsets();
3614
3615   DEBUG(dbgs() << "\n"
3616                   "After generating reuse formulae:\n";
3617         print_uses(dbgs()));
3618 }
3619
3620 /// If there are multiple formulae with the same set of registers used
3621 /// by other uses, pick the best one and delete the others.
3622 void LSRInstance::FilterOutUndesirableDedicatedRegisters() {
3623   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
3624   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> Regs;
3625   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> LoserRegs;
3626 #ifndef NDEBUG
3627   bool ChangedFormulae = false;
3628 #endif
3629
3630   // Collect the best formula for each unique set of shared registers. This
3631   // is reset for each use.
3632   typedef DenseMap<SmallVector<const SCEV *, 2>, size_t, UniquifierDenseMapInfo>
3633     BestFormulaeTy;
3634   BestFormulaeTy BestFormulae;
3635
3636   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3637     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3638     DEBUG(dbgs() << "Filtering for use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3639
3640     bool Any = false;
3641     for (size_t FIdx = 0, NumForms = LU.Formulae.size();
3642          FIdx != NumForms; ++FIdx) {
3643       Formula &F = LU.Formulae[FIdx];
3644
3645       // Some formulas are instant losers. For example, they may depend on
3646       // nonexistent AddRecs from other loops. These need to be filtered
3647       // immediately, otherwise heuristics could choose them over others leading
3648       // to an unsatisfactory solution. Passing LoserRegs into RateFormula here
3649       // avoids the need to recompute this information across formulae using the
3650       // same bad AddRec. Passing LoserRegs is also essential unless we remove
3651       // the corresponding bad register from the Regs set.
3652       Cost CostF;
3653       Regs.clear();
3654       CostF.RateFormula(F, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT,
3655                         &LoserRegs);
3656       if (CostF.isLoser()) {
3657         // During initial formula generation, undesirable formulae are generated
3658         // by uses within other loops that have some non-trivial address mode or
3659         // use the postinc form of the IV. LSR needs to provide these formulae
3660         // as the basis of rediscovering the desired formula that uses an AddRec
3661         // corresponding to the existing phi. Once all formulae have been
3662         // generated, these initial losers may be pruned.
3663         DEBUG(dbgs() << "  Filtering loser "; F.print(dbgs());
3664               dbgs() << "\n");
3665       }
3666       else {
3667         SmallVector<const SCEV *, 2> Key;
3668         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = F.BaseRegs.begin(),
3669                JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J) {
3670           const SCEV *Reg = *J;
3671           if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(Reg, LUIdx))
3672             Key.push_back(Reg);
3673         }
3674         if (F.ScaledReg &&
3675             RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(F.ScaledReg, LUIdx))
3676           Key.push_back(F.ScaledReg);
3677         // Unstable sort by host order ok, because this is only used for
3678         // uniquifying.
3679         std::sort(Key.begin(), Key.end());
3680
3681         std::pair<BestFormulaeTy::const_iterator, bool> P =
3682           BestFormulae.insert(std::make_pair(Key, FIdx));
3683         if (P.second)
3684           continue;
3685
3686         Formula &Best = LU.Formulae[P.first->second];
3687
3688         Cost CostBest;
3689         Regs.clear();
3690         CostBest.RateFormula(Best, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT);
3691         if (CostF < CostBest)
3692           std::swap(F, Best);
3693         DEBUG(dbgs() << "  Filtering out formula "; F.print(dbgs());
3694               dbgs() << "\n"
3695                         "    in favor of formula "; Best.print(dbgs());
3696               dbgs() << '\n');
3697       }
3698 #ifndef NDEBUG
3699       ChangedFormulae = true;
3700 #endif
3701       LU.DeleteFormula(F);
3702       --FIdx;
3703       --NumForms;
3704       Any = true;
3705     }
3706
3707     // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
3708     if (Any)
3709       LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3710
3711     // Reset this to prepare for the next use.
3712     BestFormulae.clear();
3713   }
3714
3715   DEBUG(if (ChangedFormulae) {
3716           dbgs() << "\n"
3717                     "After filtering out undesirable candidates:\n";
3718           print_uses(dbgs());
3719         });
3720 }
3721
3722 // This is a rough guess that seems to work fairly well.
3723 static const size_t ComplexityLimit = UINT16_MAX;
3724
3725 /// EstimateSearchSpaceComplexity - Estimate the worst-case number of
3726 /// solutions the solver might have to consider. It almost never considers
3727 /// this many solutions because it prune the search space, but the pruning
3728 /// isn't always sufficient.
3729 size_t LSRInstance::EstimateSearchSpaceComplexity() const {
3730   size_t Power = 1;
3731   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
3732        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
3733     size_t FSize = I->Formulae.size();
3734     if (FSize >= ComplexityLimit) {
3735       Power = ComplexityLimit;
3736       break;
3737     }
3738     Power *= FSize;
3739     if (Power >= ComplexityLimit)
3740       break;
3741   }
3742   return Power;
3743 }
3744
3745 /// NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets - When one formula uses a superset
3746 /// of the registers of another formula, it won't help reduce register
3747 /// pressure (though it may not necessarily hurt register pressure); remove
3748 /// it to simplify the system.
3749 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets() {
3750   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3751     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3752
3753     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by eliminating formulae "
3754                     "which use a superset of registers used by other "
3755                     "formulae.\n");
3756
3757     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3758       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3759       bool Any = false;
3760       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
3761         Formula &F = LU.Formulae[i];
3762         // Look for a formula with a constant or GV in a register. If the use
3763         // also has a formula with that same value in an immediate field,
3764         // delete the one that uses a register.
3765         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3766              I = F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
3767           if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*I)) {
3768             Formula NewF = F;
3769             NewF.AM.BaseOffs += C->getValue()->getSExtValue();
3770             NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
3771                                 (I - F.BaseRegs.begin()));
3772             if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
3773               DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3774               LU.DeleteFormula(F);
3775               --i;
3776               --e;
3777               Any = true;
3778               break;
3779             }
3780           } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(*I)) {
3781             if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue()))
3782               if (!F.AM.BaseGV) {
3783                 Formula NewF = F;
3784                 NewF.AM.BaseGV = GV;
3785                 NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
3786                                     (I - F.BaseRegs.begin()));
3787                 if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
3788                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
3789                         dbgs() << '\n');
3790                   LU.DeleteFormula(F);
3791                   --i;
3792                   --e;
3793                   Any = true;
3794                   break;
3795                 }
3796               }
3797           }
3798         }
3799       }
3800       if (Any)
3801         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3802     }
3803
3804     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3805           print_uses(dbgs()));
3806   }
3807 }
3808
3809 /// NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode - When there are many registers
3810 /// for expressions like A, A+1, A+2, etc., allocate a single register for
3811 /// them.
3812 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode() {
3813   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3814     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3815
3816     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming that uses "
3817                     "separated by a constant offset will use the same "
3818                     "registers.\n");
3819
3820     // This is especially useful for unrolled loops.
3821
3822     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3823       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3824       for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
3825            E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
3826         const Formula &F = *I;
3827         if (F.AM.BaseOffs != 0 && F.AM.Scale == 0) {
3828           if (LSRUse *LUThatHas = FindUseWithSimilarFormula(F, LU)) {
3829             if (reconcileNewOffset(*LUThatHas, F.AM.BaseOffs,
3830                                    /*HasBaseReg=*/false,
3831                                    LU.Kind, LU.AccessTy)) {
3832               DEBUG(dbgs() << "  Deleting use "; LU.print(dbgs());
3833                     dbgs() << '\n');
3834
3835               LUThatHas->AllFixupsOutsideLoop &= LU.AllFixupsOutsideLoop;
3836
3837               // Update the relocs to reference the new use.
3838               for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::iterator I = Fixups.begin(),
3839                    E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
3840                 LSRFixup &Fixup = *I;
3841                 if (Fixup.LUIdx == LUIdx) {
3842                   Fixup.LUIdx = LUThatHas - &Uses.front();
3843                   Fixup.Offset += F.AM.BaseOffs;
3844                   // Add the new offset to LUThatHas' offset list.
3845                   if (LUThatHas->Offsets.back() != Fixup.Offset) {
3846                     LUThatHas->Offsets.push_back(Fixup.Offset);
3847                     if (Fixup.Offset > LUThatHas->MaxOffset)
3848                       LUThatHas->MaxOffset = Fixup.Offset;
3849                     if (Fixup.Offset < LUThatHas->MinOffset)
3850                       LUThatHas->MinOffset = Fixup.Offset;
3851                   }
3852                   DEBUG(dbgs() << "New fixup has offset "
3853                                << Fixup.Offset << '\n');
3854                 }
3855                 if (Fixup.LUIdx == NumUses-1)
3856                   Fixup.LUIdx = LUIdx;
3857               }
3858
3859               // Delete formulae from the new use which are no longer legal.
3860               bool Any = false;
3861               for (size_t i = 0, e = LUThatHas->Formulae.size(); i != e; ++i) {
3862                 Formula &F = LUThatHas->Formulae[i];
3863                 if (!isLegalUse(F.AM,
3864                                 LUThatHas->MinOffset, LUThatHas->MaxOffset,
3865                                 LUThatHas->Kind, LUThatHas->AccessTy, TLI)) {
3866                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
3867                         dbgs() << '\n');
3868                   LUThatHas->DeleteFormula(F);
3869                   --i;
3870                   --e;
3871                   Any = true;
3872                 }
3873               }
3874               if (Any)
3875                 LUThatHas->RecomputeRegs(LUThatHas - &Uses.front(), RegUses);
3876
3877               // Delete the old use.
3878               DeleteUse(LU, LUIdx);
3879               --LUIdx;
3880               --NumUses;
3881               break;
3882             }
3883           }
3884         }
3885       }
3886     }
3887
3888     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3889           print_uses(dbgs()));
3890   }
3891 }
3892
3893 /// NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters - Call
3894 /// FilterOutUndesirableDedicatedRegisters again, if necessary, now that
3895 /// we've done more filtering, as it may be able to find more formulae to
3896 /// eliminate.
3897 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters(){
3898   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3899     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3900
3901     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by re-filtering out "
3902                     "undesirable dedicated registers.\n");
3903
3904     FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
3905
3906     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3907           print_uses(dbgs()));
3908   }
3909 }
3910
3911 /// NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs - Pick a register which seems likely
3912 /// to be profitable, and then in any use which has any reference to that
3913 /// register, delete all formulae which do not reference that register.
3914 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs() {
3915   // With all other options exhausted, loop until the system is simple
3916   // enough to handle.
3917   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Taken;
3918   while (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3919     // Ok, we have too many of formulae on our hands to conveniently handle.
3920     // Use a rough heuristic to thin out the list.
3921     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3922
3923     // Pick the register which is used by the most LSRUses, which is likely
3924     // to be a good reuse register candidate.
3925     const SCEV *Best = 0;
3926     unsigned BestNum = 0;
3927     for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
3928          I != E; ++I) {
3929       const SCEV *Reg = *I;
3930       if (Taken.count(Reg))
3931         continue;
3932       if (!Best)
3933         Best = Reg;
3934       else {
3935         unsigned Count = RegUses.getUsedByIndices(Reg).count();
3936         if (Count > BestNum) {
3937           Best = Reg;
3938           BestNum = Count;
3939         }
3940       }
3941     }
3942
3943     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming " << *Best
3944                  << " will yield profitable reuse.\n");
3945     Taken.insert(Best);
3946
3947     // In any use with formulae which references this register, delete formulae
3948     // which don't reference it.
3949     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3950       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3951       if (!LU.Regs.count(Best)) continue;
3952
3953       bool Any = false;
3954       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
3955         Formula &F = LU.Formulae[i];
3956         if (!F.referencesReg(Best)) {
3957           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3958           LU.DeleteFormula(F);
3959           --e;
3960           --i;
3961           Any = true;
3962           assert(e != 0 && "Use has no formulae left! Is Regs inconsistent?");
3963           continue;
3964         }
3965       }
3966
3967       if (Any)
3968         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3969     }
3970
3971     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3972           print_uses(dbgs()));
3973   }
3974 }
3975
3976 /// NarrowSearchSpaceUsingHeuristics - If there are an extraordinary number of
3977 /// formulae to choose from, use some rough heuristics to prune down the number
3978 /// of formulae. This keeps the main solver from taking an extraordinary amount
3979 /// of time in some worst-case scenarios.
3980 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceUsingHeuristics() {
3981   NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
3982   NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
3983   NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
3984   NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
3985 }
3986
3987 /// SolveRecurse - This is the recursive solver.
3988 void LSRInstance::SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
3989                                Cost &SolutionCost,
3990                                SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
3991                                const Cost &CurCost,
3992                                const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
3993                                DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const {
3994   // Some ideas:
3995   //  - prune more:
3996   //    - use more aggressive filtering
3997   //    - sort the formula so that the most profitable solutions are found first
3998   //    - sort the uses too
3999   //  - search faster:
4000   //    - don't compute a cost, and then compare. compare while computing a cost
4001   //      and bail early.
4002   //    - track register sets with SmallBitVector
4003
4004   const LSRUse &LU = Uses[Workspace.size()];
4005
4006   // If this use references any register that's already a part of the
4007   // in-progress solution, consider it a requirement that a formula must
4008   // reference that register in order to be considered. This prunes out
4009   // unprofitable searching.
4010   SmallSetVector<const SCEV *, 4> ReqRegs;
4011   for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator I = CurRegs.begin(),
4012        E = CurRegs.end(); I != E; ++I)
4013     if (LU.Regs.count(*I))
4014       ReqRegs.insert(*I);
4015
4016   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> NewRegs;
4017   Cost NewCost;
4018   for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
4019        E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
4020     const Formula &F = *I;
4021
4022     // Ignore formulae which do not use any of the required registers.
4023     bool SatisfiedReqReg = true;
4024     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator J = ReqRegs.begin(),
4025          JE = ReqRegs.end(); J != JE; ++J) {
4026       const SCEV *Reg = *J;
4027       if ((!F.ScaledReg || F.ScaledReg != Reg) &&
4028           std::find(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end(), Reg) ==
4029           F.BaseRegs.end()) {
4030         SatisfiedReqReg = false;
4031         break;
4032       }
4033     }
4034     if (!SatisfiedReqReg) {
4035       // If none of the formulae satisfied the required registers, then we could
4036       // clear ReqRegs and try again. Currently, we simply give up in this case.
4037       continue;
4038     }
4039
4040     // Evaluate the cost of the current formula. If it's already worse than
4041     // the current best, prune the search at that point.
4042     NewCost = CurCost;
4043     NewRegs = CurRegs;
4044     NewCost.RateFormula(F, NewRegs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT);
4045     if (NewCost < SolutionCost) {
4046       Workspace.push_back(&F);
4047       if (Workspace.size() != Uses.size()) {
4048         SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, NewCost,
4049                      NewRegs, VisitedRegs);
4050         if (F.getNumRegs() == 1 && Workspace.size() == 1)
4051           VisitedRegs.insert(F.ScaledReg ? F.ScaledReg : F.BaseRegs[0]);
4052       } else {
4053         DEBUG(dbgs() << "New best at "; NewCost.print(dbgs());
4054               dbgs() << ".\n Regs:";
4055               for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator
4056                    I = NewRegs.begin(), E = NewRegs.end(); I != E; ++I)
4057                 dbgs() << ' ' << **I;
4058               dbgs() << '\n');
4059
4060         SolutionCost = NewCost;
4061         Solution = Workspace;
4062       }
4063       Workspace.pop_back();
4064     }
4065   }
4066 }
4067
4068 /// Solve - Choose one formula from each use. Return the results in the given
4069 /// Solution vector.
4070 void LSRInstance::Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const {
4071   SmallVector<const Formula *, 8> Workspace;
4072   Cost SolutionCost;
4073   SolutionCost.Loose();
4074   Cost CurCost;
4075   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> CurRegs;
4076   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
4077   Workspace.reserve(Uses.size());
4078
4079   // SolveRecurse does all the work.
4080   SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, CurCost,
4081                CurRegs, VisitedRegs);
4082   if (Solution.empty()) {
4083     DEBUG(dbgs() << "\nNo Satisfactory Solution\n");
4084     return;
4085   }
4086
4087   // Ok, we've now made all our decisions.
4088   DEBUG(dbgs() << "\n"
4089                   "The chosen solution requires "; SolutionCost.print(dbgs());
4090         dbgs() << ":\n";
4091         for (size_t i = 0, e = Uses.size(); i != e; ++i) {
4092           dbgs() << "  ";
4093           Uses[i].print(dbgs());
4094           dbgs() << "\n"
4095                     "    ";
4096           Solution[i]->print(dbgs());
4097           dbgs() << '\n';
4098         });
4099
4100   assert(Solution.size() == Uses.size() && "Malformed solution!");
4101 }
4102
4103 /// HoistInsertPosition - Helper for AdjustInsertPositionForExpand. Climb up
4104 /// the dominator tree far as we can go while still being dominated by the
4105 /// input positions. This helps canonicalize the insert position, which
4106 /// encourages sharing.
4107 BasicBlock::iterator
4108 LSRInstance::HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
4109                                  const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs)
4110                                                                          const {
4111   for (;;) {
4112     const Loop *IPLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
4113     unsigned IPLoopDepth = IPLoop ? IPLoop->getLoopDepth() : 0;
4114
4115     BasicBlock *IDom;
4116     for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(IP->getParent()); ; ) {
4117       if (!Rung) return IP;
4118       Rung = Rung->getIDom();
4119       if (!Rung) return IP;
4120       IDom = Rung->getBlock();
4121
4122       // Don't climb into a loop though.
4123       const Loop *IDomLoop = LI.getLoopFor(IDom);
4124       unsigned IDomDepth = IDomLoop ? IDomLoop->getLoopDepth() : 0;
4125       if (IDomDepth <= IPLoopDepth &&
4126           (IDomDepth != IPLoopDepth || IDomLoop == IPLoop))
4127         break;
4128     }
4129
4130     bool AllDominate = true;
4131     Instruction *BetterPos = 0;
4132     Instruction *Tentative = IDom->getTerminator();
4133     for (SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator I = Inputs.begin(),
4134          E = Inputs.end(); I != E; ++I) {
4135       Instruction *Inst = *I;
4136       if (Inst == Tentative || !DT.dominates(Inst, Tentative)) {
4137         AllDominate = false;
4138         break;
4139       }
4140       // Attempt to find an insert position in the middle of the block,
4141       // instead of at the end, so that it can be used for other expansions.
4142       if (IDom == Inst->getParent() &&
4143           (!BetterPos || !DT.dominates(Inst, BetterPos)))
4144         BetterPos = llvm::next(BasicBlock::iterator(Inst));
4145     }
4146     if (!AllDominate)
4147       break;
4148     if (BetterPos)
4149       IP = BetterPos;
4150     else
4151       IP = Tentative;
4152   }
4153
4154   return IP;
4155 }
4156
4157 /// AdjustInsertPositionForExpand - Determine an input position which will be
4158 /// dominated by the operands and which will dominate the result.
4159 BasicBlock::iterator
4160 LSRInstance::AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator LowestIP,
4161                                            const LSRFixup &LF,
4162                                            const LSRUse &LU,
4163                                            SCEVExpander &Rewriter) const {
4164   // Collect some instructions which must be dominated by the
4165   // expanding replacement. These must be dominated by any operands that
4166   // will be required in the expansion.
4167   SmallVector<Instruction *, 4> Inputs;
4168   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(LF.OperandValToReplace))
4169     Inputs.push_back(I);
4170   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero)
4171     if (Instruction *I =
4172           dyn_cast<Instruction>(cast<ICmpInst>(LF.UserInst)->getOperand(1)))
4173       Inputs.push_back(I);
4174   if (LF.PostIncLoops.count(L)) {
4175     if (LF.isUseFullyOutsideLoop(L))
4176       Inputs.push_back(L->getLoopLatch()->getTerminator());
4177     else
4178       Inputs.push_back(IVIncInsertPos);
4179   }
4180   // The expansion must also be dominated by the increment positions of any
4181   // loops it for which it is using post-inc mode.
4182   for (PostIncLoopSet::const_iterator I = LF.PostIncLoops.begin(),
4183        E = LF.PostIncLoops.end(); I != E; ++I) {
4184     const Loop *PIL = *I;
4185     if (PIL == L) continue;
4186
4187     // Be dominated by the loop exit.
4188     SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
4189     PIL->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
4190     if (!ExitingBlocks.empty()) {
4191       BasicBlock *BB = ExitingBlocks[0];
4192       for (unsigned i = 1, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i)
4193         BB = DT.findNearestCommonDominator(BB, ExitingBlocks[i]);
4194       Inputs.push_back(BB->getTerminator());
4195     }
4196   }
4197
4198   assert(!isa<PHINode>(LowestIP) && !isa<LandingPadInst>(LowestIP)
4199          && !isa<DbgInfoIntrinsic>(LowestIP) &&
4200          "Insertion point must be a normal instruction");
4201
4202   // Then, climb up the immediate dominator tree as far as we can go while
4203   // still being dominated by the input positions.
4204   BasicBlock::iterator IP = HoistInsertPosition(LowestIP, Inputs);
4205
4206   // Don't insert instructions before PHI nodes.
4207   while (isa<PHINode>(IP)) ++IP;
4208
4209   // Ignore landingpad instructions.
4210   while (isa<LandingPadInst>(IP)) ++IP;
4211
4212   // Ignore debug intrinsics.
4213   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP)) ++IP;
4214
4215   // Set IP below instructions recently inserted by SCEVExpander. This keeps the
4216   // IP consistent across expansions and allows the previously inserted
4217   // instructions to be reused by subsequent expansion.
4218   while (Rewriter.isInsertedInstruction(IP) && IP != LowestIP) ++IP;
4219
4220   return IP;
4221 }
4222
4223 /// Expand - Emit instructions for the leading candidate expression for this
4224 /// LSRUse (this is called "expanding").
4225 Value *LSRInstance::Expand(const LSRFixup &LF,
4226                            const Formula &F,
4227                            BasicBlock::iterator IP,
4228                            SCEVExpander &Rewriter,
4229                            SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const {
4230   const LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
4231
4232   // Determine an input position which will be dominated by the operands and
4233   // which will dominate the result.
4234   IP = AdjustInsertPositionForExpand(IP, LF, LU, Rewriter);
4235
4236   // Inform the Rewriter if we have a post-increment use, so that it can
4237   // perform an advantageous expansion.
4238   Rewriter.setPostInc(LF.PostIncLoops);
4239
4240   // This is the type that the user actually needs.
4241   Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4242   // This will be the type that we'll initially expand to.
4243   Type *Ty = F.getType();
4244   if (!Ty)
4245     // No type known; just expand directly to the ultimate type.
4246     Ty = OpTy;
4247   else if (SE.getEffectiveSCEVType(Ty) == SE.getEffectiveSCEVType(OpTy))
4248     // Expand directly to the ultimate type if it's the right size.
4249     Ty = OpTy;
4250   // This is the type to do integer arithmetic in.
4251   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
4252
4253   // Build up a list of operands to add together to form the full base.
4254   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
4255
4256   // Expand the BaseRegs portion.
4257   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
4258        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
4259     const SCEV *Reg = *I;
4260     assert(!Reg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
4261
4262     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4263     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4264     Reg = TransformForPostIncUse(Denormalize, Reg,
4265                                  LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4266                                  Loops, SE, DT);
4267
4268     Ops.push_back(SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(Reg, 0, IP)));
4269   }
4270
4271   // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4272   if (!Ops.empty()) {
4273     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4274     Ops.clear();
4275     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4276   }
4277
4278   // Expand the ScaledReg portion.
4279   Value *ICmpScaledV = 0;
4280   if (F.AM.Scale != 0) {
4281     const SCEV *ScaledS = F.ScaledReg;
4282
4283     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4284     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4285     ScaledS = TransformForPostIncUse(Denormalize, ScaledS,
4286                                      LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4287                                      Loops, SE, DT);
4288
4289     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4290       // An interesting way of "folding" with an icmp is to use a negated
4291       // scale, which we'll implement by inserting it into the other operand
4292       // of the icmp.
4293       assert(F.AM.Scale == -1 &&
4294              "The only scale supported by ICmpZero uses is -1!");
4295       ICmpScaledV = Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP);
4296     } else {
4297       // Otherwise just expand the scaled register and an explicit scale,
4298       // which is expected to be matched as part of the address.
4299       ScaledS = SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP));
4300       ScaledS = SE.getMulExpr(ScaledS,
4301                               SE.getConstant(ScaledS->getType(), F.AM.Scale));
4302       Ops.push_back(ScaledS);
4303
4304       // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4305       Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4306       Ops.clear();
4307       Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4308     }
4309   }
4310
4311   // Expand the GV portion.
4312   if (F.AM.BaseGV) {
4313     Ops.push_back(SE.getUnknown(F.AM.BaseGV));
4314
4315     // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4316     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4317     Ops.clear();
4318     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4319   }
4320
4321   // Expand the immediate portion.
4322   int64_t Offset = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + LF.Offset;
4323   if (Offset != 0) {
4324     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4325       // The other interesting way of "folding" with an ICmpZero is to use a
4326       // negated immediate.
4327       if (!ICmpScaledV)
4328         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offset);
4329       else {
4330         Ops.push_back(SE.getUnknown(ICmpScaledV));
4331         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, Offset);
4332       }
4333     } else {
4334       // Just add the immediate values. These again are expected to be matched
4335       // as part of the address.
4336       Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy, Offset)));
4337     }
4338   }
4339
4340   // Expand the unfolded offset portion.
4341   int64_t UnfoldedOffset = F.UnfoldedOffset;
4342   if (UnfoldedOffset != 0) {
4343     // Just add the immediate values.
4344     Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy,
4345                                                        UnfoldedOffset)));
4346   }
4347
4348   // Emit instructions summing all the operands.
4349   const SCEV *FullS = Ops.empty() ?
4350                       SE.getConstant(IntTy, 0) :
4351                       SE.getAddExpr(Ops);
4352   Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(FullS, Ty, IP);
4353
4354   // We're done expanding now, so reset the rewriter.
4355   Rewriter.clearPostInc();
4356
4357   // An ICmpZero Formula represents an ICmp which we're handling as a
4358   // comparison against zero. Now that we've expanded an expression for that
4359   // form, update the ICmp's other operand.
4360   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4361     ICmpInst *CI = cast<ICmpInst>(LF.UserInst);
4362     DeadInsts.push_back(CI->getOperand(1));
4363     assert(!F.AM.BaseGV && "ICmp does not support folding a global value and "
4364                            "a scale at the same time!");
4365     if (F.AM.Scale == -1) {
4366       if (ICmpScaledV->getType() != OpTy) {
4367         Instruction *Cast =
4368           CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(ICmpScaledV, false,
4369                                                    OpTy, false),
4370                            ICmpScaledV, OpTy, "tmp", CI);
4371         ICmpScaledV = Cast;
4372       }
4373       CI->setOperand(1, ICmpScaledV);
4374     } else {
4375       assert(F.AM.Scale == 0 &&
4376              "ICmp does not support folding a global value and "
4377              "a scale at the same time!");
4378       Constant *C = ConstantInt::getSigned(SE.getEffectiveSCEVType(OpTy),
4379                                            -(uint64_t)Offset);
4380       if (C->getType() != OpTy)
4381         C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
4382                                                           OpTy, false),
4383                                   C, OpTy);
4384
4385       CI->setOperand(1, C);
4386     }
4387   }
4388
4389   return FullV;
4390 }
4391
4392 /// RewriteForPHI - Helper for Rewrite. PHI nodes are special because the use
4393 /// of their operands effectively happens in their predecessor blocks, so the
4394 /// expression may need to be expanded in multiple places.
4395 void LSRInstance::RewriteForPHI(PHINode *PN,
4396                                 const LSRFixup &LF,
4397                                 const Formula &F,
4398                                 SCEVExpander &Rewriter,
4399                                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4400                                 Pass *P) const {
4401   DenseMap<BasicBlock *, Value *> Inserted;
4402   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
4403     if (PN->getIncomingValue(i) == LF.OperandValToReplace) {
4404       BasicBlock *BB = PN->getIncomingBlock(i);
4405
4406       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
4407       // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
4408       // is the canonical backedge for this loop, which complicates post-inc
4409       // users.
4410       if (e != 1 && BB->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
4411           !isa<IndirectBrInst>(BB->getTerminator())) {
4412         BasicBlock *Parent = PN->getParent();
4413         Loop *PNLoop = LI.getLoopFor(Parent);
4414         if (!PNLoop || Parent != PNLoop->getHeader()) {
4415           // Split the critical edge.
4416           BasicBlock *NewBB = 0;
4417           if (!Parent->isLandingPad()) {
4418             NewBB = SplitCriticalEdge(BB, Parent, P,
4419                                       /*MergeIdenticalEdges=*/true,
4420                                       /*DontDeleteUselessPhis=*/true);
4421           } else {
4422             SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
4423             SplitLandingPadPredecessors(Parent, BB, "", "", P, NewBBs);
4424             NewBB = NewBBs[0];
4425           }
4426
4427           // If PN is outside of the loop and BB is in the loop, we want to
4428           // move the block to be immediately before the PHI block, not
4429           // immediately after BB.
4430           if (L->contains(BB) && !L->contains(PN))
4431             NewBB->moveBefore(PN->getParent());
4432
4433           // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
4434           e = PN->getNumIncomingValues();
4435           BB = NewBB;
4436           i = PN->getBasicBlockIndex(BB);
4437         }
4438       }
4439
4440       std::pair<DenseMap<BasicBlock *, Value *>::iterator, bool> Pair =
4441         Inserted.insert(std::make_pair(BB, static_cast<Value *>(0)));
4442       if (!Pair.second)
4443         PN->setIncomingValue(i, Pair.first->second);
4444       else {
4445         Value *FullV = Expand(LF, F, BB->getTerminator(), Rewriter, DeadInsts);
4446
4447         // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4448         Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4449         if (FullV->getType() != OpTy)
4450           FullV =
4451             CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false,
4452                                                      OpTy, false),
4453                              FullV, LF.OperandValToReplace->getType(),
4454                              "tmp", BB->getTerminator());
4455
4456         PN->setIncomingValue(i, FullV);
4457         Pair.first->second = FullV;
4458       }
4459     }
4460 }
4461
4462 /// Rewrite - Emit instructions for the leading candidate expression for this
4463 /// LSRUse (this is called "expanding"), and update the UserInst to reference
4464 /// the newly expanded value.
4465 void LSRInstance::Rewrite(const LSRFixup &LF,
4466                           const Formula &F,
4467                           SCEVExpander &Rewriter,
4468                           SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4469                           Pass *P) const {
4470   // First, find an insertion point that dominates UserInst. For PHI nodes,
4471   // find the nearest block which dominates all the relevant uses.
4472   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(LF.UserInst)) {
4473     RewriteForPHI(PN, LF, F, Rewriter, DeadInsts, P);
4474   } else {
4475     Value *FullV = Expand(LF, F, LF.UserInst, Rewriter, DeadInsts);
4476
4477     // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4478     Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4479     if (FullV->getType() != OpTy) {
4480       Instruction *Cast =
4481         CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false, OpTy, false),
4482                          FullV, OpTy, "tmp", LF.UserInst);
4483       FullV = Cast;
4484     }
4485
4486     // Update the user. ICmpZero is handled specially here (for now) because
4487     // Expand may have updated one of the operands of the icmp already, and
4488     // its new value may happen to be equal to LF.OperandValToReplace, in
4489     // which case doing replaceUsesOfWith leads to replacing both operands
4490     // with the same value. TODO: Reorganize this.
4491     if (Uses[LF.LUIdx].Kind == LSRUse::ICmpZero)
4492       LF.UserInst->setOperand(0, FullV);
4493     else
4494       LF.UserInst->replaceUsesOfWith(LF.OperandValToReplace, FullV);
4495   }
4496
4497   DeadInsts.push_back(LF.OperandValToReplace);
4498 }
4499
4500 /// ImplementSolution - Rewrite all the fixup locations with new values,
4501 /// following the chosen solution.
4502 void
4503 LSRInstance::ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
4504                                Pass *P) {
4505   // Keep track of instructions we may have made dead, so that
4506   // we can remove them after we are done working.
4507   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
4508
4509   SCEVExpander Rewriter(SE, "lsr");
4510 #ifndef NDEBUG
4511   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
4512 #endif
4513   Rewriter.disableCanonicalMode();
4514   Rewriter.enableLSRMode();
4515   Rewriter.setIVIncInsertPos(L, IVIncInsertPos);
4516
4517   // Mark phi nodes that terminate chains so the expander tries to reuse them.
4518   for (SmallVectorImpl<IVChain>::const_iterator ChainI = IVChainVec.begin(),
4519          ChainE = IVChainVec.end(); ChainI != ChainE; ++ChainI) {
4520     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ChainI->tailUserInst()))
4521       Rewriter.setChainedPhi(PN);
4522   }
4523
4524   // Expand the new value definitions and update the users.
4525   for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::const_iterator I = Fixups.begin(),
4526        E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
4527     const LSRFixup &Fixup = *I;
4528
4529     Rewrite(Fixup, *Solution[Fixup.LUIdx], Rewriter, DeadInsts, P);
4530
4531     Changed = true;
4532   }
4533
4534   for (SmallVectorImpl<IVChain>::const_iterator ChainI = IVChainVec.begin(),
4535          ChainE = IVChainVec.end(); ChainI != ChainE; ++ChainI) {
4536     GenerateIVChain(*ChainI, Rewriter, DeadInsts);
4537     Changed = true;
4538   }
4539   // Clean up after ourselves. This must be done before deleting any
4540   // instructions.
4541   Rewriter.clear();
4542
4543   Changed |= DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
4544 }
4545
4546 LSRInstance::LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P)
4547   : IU(P->getAnalysis<IVUsers>()),
4548     SE(P->getAnalysis<ScalarEvolution>()),
4549     DT(P->getAnalysis<DominatorTree>()),
4550     LI(P->getAnalysis<LoopInfo>()),
4551     TLI(tli), L(l), Changed(false), IVIncInsertPos(0) {
4552
4553   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble.
4554   if (!L->isLoopSimplifyForm())
4555     return;
4556
4557   // If there's no interesting work to be done, bail early.
4558   if (IU.empty()) return;
4559
4560   // If there's too much analysis to be done, bail early. We won't be able to
4561   // model the problem anyway.
4562   unsigned NumUsers = 0;
4563   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
4564     if (++NumUsers > MaxIVUsers) {
4565       DEBUG(dbgs() << "LSR skipping loop, too many IV Users in " << *L
4566             << "\n");
4567       return;
4568     }
4569   }
4570
4571 #ifndef NDEBUG
4572   // All dominating loops must have preheaders, or SCEVExpander may not be able
4573   // to materialize an AddRecExpr whose Start is an outer AddRecExpr.
4574   //
4575   // IVUsers analysis should only create users that are dominated by simple loop
4576   // headers. Since this loop should dominate all of its users, its user list
4577   // should be empty if this loop itself is not within a simple loop nest.
4578   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopPreheader());
4579        Rung; Rung = Rung->getIDom()) {
4580     BasicBlock *BB = Rung->getBlock();
4581     const Loop *DomLoop = LI.getLoopFor(BB);
4582     if (DomLoop && DomLoop->getHeader() == BB) {
4583       assert(DomLoop->getLoopPreheader() && "LSR needs a simplified loop nest");
4584     }
4585   }
4586 #endif // DEBUG
4587
4588   DEBUG(dbgs() << "\nLSR on loop ";
4589         WriteAsOperand(dbgs(), L->getHeader(), /*PrintType=*/false);
4590         dbgs() << ":\n");
4591
4592   // First, perform some low-level loop optimizations.
4593   OptimizeShadowIV();
4594   OptimizeLoopTermCond();
4595
4596   // If loop preparation eliminates all interesting IV users, bail.
4597   if (IU.empty()) return;
4598
4599   // Skip nested loops until we can model them better with formulae.
4600   if (!L->empty()) {
4601     DEBUG(dbgs() << "LSR skipping outer loop " << *L << "\n");
4602     return;
4603   }
4604
4605   // Start collecting data and preparing for the solver.
4606   CollectChains();
4607   CollectInterestingTypesAndFactors();
4608   CollectFixupsAndInitialFormulae();
4609   CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
4610
4611   assert(!Uses.empty() && "IVUsers reported at least one use");
4612   DEBUG(dbgs() << "LSR found " << Uses.size() << " uses:\n";
4613         print_uses(dbgs()));
4614
4615   // Now use the reuse data to generate a bunch of interesting ways
4616   // to formulate the values needed for the uses.
4617   GenerateAllReuseFormulae();
4618
4619   FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
4620   NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
4621
4622   SmallVector<const Formula *, 8> Solution;
4623   Solve(Solution);
4624
4625   // Release memory that is no longer needed.
4626   Factors.clear();
4627   Types.clear();
4628   RegUses.clear();
4629
4630   if (Solution.empty())
4631     return;
4632
4633 #ifndef NDEBUG
4634   // Formulae should be legal.
4635   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
4636        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
4637      const LSRUse &LU = *I;
4638      for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
4639           JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J)
4640         assert(isLegalUse(J->AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
4641                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI) &&
4642                "Illegal formula generated!");
4643   };
4644 #endif
4645
4646   // Now that we've decided what we want, make it so.
4647   ImplementSolution(Solution, P);
4648 }
4649
4650 void LSRInstance::print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const {
4651   if (Factors.empty() && Types.empty()) return;
4652
4653   OS << "LSR has identified the following interesting factors and types: ";
4654   bool First = true;
4655
4656   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
4657        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
4658     if (!First) OS << ", ";
4659     First = false;
4660     OS << '*' << *I;
4661   }
4662
4663   for (SmallSetVector<Type *, 4>::const_iterator
4664        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
4665     if (!First) OS << ", ";
4666     First = false;
4667     OS << '(' << **I << ')';
4668   }
4669   OS << '\n';
4670 }
4671
4672 void LSRInstance::print_fixups(raw_ostream &OS) const {
4673   OS << "LSR is examining the following fixup sites:\n";
4674   for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::const_iterator I = Fixups.begin(),
4675        E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
4676     dbgs() << "  ";
4677     I->print(OS);
4678     OS << '\n';
4679   }
4680 }
4681
4682 void LSRInstance::print_uses(raw_ostream &OS) const {
4683   OS << "LSR is examining the following uses:\n";
4684   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
4685        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
4686     const LSRUse &LU = *I;
4687     dbgs() << "  ";
4688     LU.print(OS);
4689     OS << '\n';
4690     for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
4691          JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J) {
4692       OS << "    ";
4693       J->print(OS);
4694       OS << '\n';
4695     }
4696   }
4697 }
4698
4699 void LSRInstance::print(raw_ostream &OS) const {
4700   print_factors_and_types(OS);
4701   print_fixups(OS);
4702   print_uses(OS);
4703 }
4704
4705 void LSRInstance::dump() const {
4706   print(errs()); errs() << '\n';
4707 }
4708
4709 namespace {
4710
4711 class LoopStrengthReduce : public LoopPass {
4712   /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
4713   /// transformation profitability.
4714   const TargetLowering *const TLI;
4715
4716 public:
4717   static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
4718   explicit LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = 0);
4719
4720 private:
4721   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
4722   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
4723 };
4724
4725 }
4726
4727 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
4728 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4729                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4730 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
4731 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
4732 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
4733 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
4734 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
4735 INITIALIZE_PASS_END(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4736                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4737
4738
4739 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
4740   return new LoopStrengthReduce(TLI);
4741 }
4742
4743 LoopStrengthReduce::LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli)
4744   : LoopPass(ID), TLI(tli) {
4745     initializeLoopStrengthReducePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
4746   }
4747
4748 void LoopStrengthReduce::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
4749   // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
4750   // many analyses if they are around.
4751   AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
4752
4753   AU.addRequired<LoopInfo>();
4754   AU.addPreserved<LoopInfo>();
4755   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4756   AU.addRequired<DominatorTree>();
4757   AU.addPreserved<DominatorTree>();
4758   AU.addRequired<ScalarEvolution>();
4759   AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
4760   // Requiring LoopSimplify a second time here prevents IVUsers from running
4761   // twice, since LoopSimplify was invalidated by running ScalarEvolution.
4762   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4763   AU.addRequired<IVUsers>();
4764   AU.addPreserved<IVUsers>();
4765 }
4766
4767 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager & /*LPM*/) {
4768   bool Changed = false;
4769
4770   // Run the main LSR transformation.
4771   Changed |= LSRInstance(TLI, L, this).getChanged();
4772
4773   // Remove any extra phis created by processing inner loops.
4774   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
4775   if (EnablePhiElim) {
4776     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
4777     SCEVExpander Rewriter(getAnalysis<ScalarEvolution>(), "lsr");
4778 #ifndef NDEBUG
4779     Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
4780 #endif
4781     unsigned numFolded = Rewriter.
4782       replaceCongruentIVs(L, &getAnalysis<DominatorTree>(), DeadInsts, TLI);
4783     if (numFolded) {
4784       Changed = true;
4785       DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
4786       DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
4787     }
4788   }
4789   return Changed;
4790 }