Turn IVChain into a struct.
[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     // Only handle -1 scales, or no scale.
1312     return AM.Scale == 0 || AM.Scale == -1;
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
1445   typedef SmallVectorImpl<IVInc>::const_iterator const_iterator;
1446
1447   // begin - return the first increment in the chain.
1448   const_iterator begin() const {
1449     assert(!Incs.empty());
1450     return llvm::next(Incs.begin());
1451   }
1452   const_iterator end() const {
1453     return Incs.end();
1454   }
1455
1456   // hasIncs - Returns true if this chain contains any increments.
1457   bool hasIncs() const { return Incs.size() >= 2; }
1458
1459   // add - Add an IVInc to the end of this chain.
1460   void add(const IVInc &X) { Incs.push_back(X); }
1461
1462   // tailUserInst - Returns the last UserInst in the chain.
1463   Instruction *tailUserInst() const { return Incs.back().UserInst; }
1464 };
1465
1466 /// ChainUsers - Helper for CollectChains to track multiple IV increment uses.
1467 /// Distinguish between FarUsers that definitely cross IV increments and
1468 /// NearUsers that may be used between IV increments.
1469 struct ChainUsers {
1470   SmallPtrSet<Instruction*, 4> FarUsers;
1471   SmallPtrSet<Instruction*, 4> NearUsers;
1472 };
1473
1474 /// LSRInstance - This class holds state for the main loop strength reduction
1475 /// logic.
1476 class LSRInstance {
1477   IVUsers &IU;
1478   ScalarEvolution &SE;
1479   DominatorTree &DT;
1480   LoopInfo &LI;
1481   const TargetLowering *const TLI;
1482   Loop *const L;
1483   bool Changed;
1484
1485   /// IVIncInsertPos - This is the insert position that the current loop's
1486   /// induction variable increment should be placed. In simple loops, this is
1487   /// the latch block's terminator. But in more complicated cases, this is a
1488   /// position which will dominate all the in-loop post-increment users.
1489   Instruction *IVIncInsertPos;
1490
1491   /// Factors - Interesting factors between use strides.
1492   SmallSetVector<int64_t, 8> Factors;
1493
1494   /// Types - Interesting use types, to facilitate truncation reuse.
1495   SmallSetVector<Type *, 4> Types;
1496
1497   /// Fixups - The list of operands which are to be replaced.
1498   SmallVector<LSRFixup, 16> Fixups;
1499
1500   /// Uses - The list of interesting uses.
1501   SmallVector<LSRUse, 16> Uses;
1502
1503   /// RegUses - Track which uses use which register candidates.
1504   RegUseTracker RegUses;
1505
1506   // Limit the number of chains to avoid quadratic behavior. We don't expect to
1507   // have more than a few IV increment chains in a loop. Missing a Chain falls
1508   // back to normal LSR behavior for those uses.
1509   static const unsigned MaxChains = 8;
1510
1511   /// IVChainVec - IV users can form a chain of IV increments.
1512   SmallVector<IVChain, MaxChains> IVChainVec;
1513
1514   /// IVIncSet - IV users that belong to profitable IVChains.
1515   SmallPtrSet<Use*, MaxChains> IVIncSet;
1516
1517   void OptimizeShadowIV();
1518   bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse);
1519   ICmpInst *OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse);
1520   void OptimizeLoopTermCond();
1521
1522   void ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
1523                         SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec);
1524   void FinalizeChain(IVChain &Chain);
1525   void CollectChains();
1526   void GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
1527                        SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts);
1528
1529   void CollectInterestingTypesAndFactors();
1530   void CollectFixupsAndInitialFormulae();
1531
1532   LSRFixup &getNewFixup() {
1533     Fixups.push_back(LSRFixup());
1534     return Fixups.back();
1535   }
1536
1537   // Support for sharing of LSRUses between LSRFixups.
1538   typedef DenseMap<std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType>,
1539                    size_t,
1540                    UseMapDenseMapInfo> UseMapTy;
1541   UseMapTy UseMap;
1542
1543   bool reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
1544                           LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy);
1545
1546   std::pair<size_t, int64_t> getUse(const SCEV *&Expr,
1547                                     LSRUse::KindType Kind,
1548                                     Type *AccessTy);
1549
1550   void DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1551
1552   LSRUse *FindUseWithSimilarFormula(const Formula &F, const LSRUse &OrigLU);
1553
1554   void InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1555   void InsertSupplementalFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1556   void CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx);
1557   bool InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F);
1558
1559   void CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
1560
1561   void GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base,
1562                               unsigned Depth = 0);
1563   void GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1564   void GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1565   void GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1566   void GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1567   void GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1568   void GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1569   void GenerateCrossUseConstantOffsets();
1570   void GenerateAllReuseFormulae();
1571
1572   void FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
1573
1574   size_t EstimateSearchSpaceComplexity() const;
1575   void NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
1576   void NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
1577   void NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
1578   void NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
1579   void NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
1580
1581   void SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1582                     Cost &SolutionCost,
1583                     SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
1584                     const Cost &CurCost,
1585                     const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
1586                     DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const;
1587   void Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const;
1588
1589   BasicBlock::iterator
1590     HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
1591                         const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs) const;
1592   BasicBlock::iterator
1593     AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator IP,
1594                                   const LSRFixup &LF,
1595                                   const LSRUse &LU,
1596                                   SCEVExpander &Rewriter) const;
1597
1598   Value *Expand(const LSRFixup &LF,
1599                 const Formula &F,
1600                 BasicBlock::iterator IP,
1601                 SCEVExpander &Rewriter,
1602                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const;
1603   void RewriteForPHI(PHINode *PN, const LSRFixup &LF,
1604                      const Formula &F,
1605                      SCEVExpander &Rewriter,
1606                      SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1607                      Pass *P) const;
1608   void Rewrite(const LSRFixup &LF,
1609                const Formula &F,
1610                SCEVExpander &Rewriter,
1611                SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1612                Pass *P) const;
1613   void ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1614                          Pass *P);
1615
1616 public:
1617   LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P);
1618
1619   bool getChanged() const { return Changed; }
1620
1621   void print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const;
1622   void print_fixups(raw_ostream &OS) const;
1623   void print_uses(raw_ostream &OS) const;
1624   void print(raw_ostream &OS) const;
1625   void dump() const;
1626 };
1627
1628 }
1629
1630 /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
1631 /// inside the loop then try to eliminate the cast operation.
1632 void LSRInstance::OptimizeShadowIV() {
1633   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1634   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1635     return;
1636
1637   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end();
1638        UI != E; /* empty */) {
1639     IVUsers::const_iterator CandidateUI = UI;
1640     ++UI;
1641     Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
1642     Type *DestTy = NULL;
1643     bool IsSigned = false;
1644
1645     /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
1646        to eliminate this cast.
1647
1648          for (unsigned i = 0; i < n; ++i)
1649            foo((double)i);
1650
1651        is transformed into
1652
1653          double d = 0.0;
1654          for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d)
1655            foo(d);
1656     */
1657     if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1658       IsSigned = false;
1659       DestTy = UCast->getDestTy();
1660     }
1661     else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1662       IsSigned = true;
1663       DestTy = SCast->getDestTy();
1664     }
1665     if (!DestTy) continue;
1666
1667     if (TLI) {
1668       // If target does not support DestTy natively then do not apply
1669       // this transformation.
1670       EVT DVT = TLI->getValueType(DestTy);
1671       if (!TLI->isTypeLegal(DVT)) continue;
1672     }
1673
1674     PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
1675     if (!PH) continue;
1676     if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
1677
1678     Type *SrcTy = PH->getType();
1679     int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
1680     if (Mantissa == -1) continue;
1681     if ((int)SE.getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
1682       continue;
1683
1684     unsigned Entry, Latch;
1685     if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
1686       Entry = 0;
1687       Latch = 1;
1688     } else {
1689       Entry = 1;
1690       Latch = 0;
1691     }
1692
1693     ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
1694     if (!Init) continue;
1695     Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, IsSigned ?
1696                                         (double)Init->getSExtValue() :
1697                                         (double)Init->getZExtValue());
1698
1699     BinaryOperator *Incr =
1700       dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
1701     if (!Incr) continue;
1702     if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
1703         && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
1704       continue;
1705
1706     /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
1707     ConstantInt *C = NULL;
1708     if (Incr->getOperand(0) == PH)
1709       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
1710     else if (Incr->getOperand(1) == PH)
1711       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
1712     else
1713       continue;
1714
1715     if (!C) continue;
1716
1717     // Ignore negative constants, as the code below doesn't handle them
1718     // correctly. TODO: Remove this restriction.
1719     if (!C->getValue().isStrictlyPositive()) continue;
1720
1721     /* Add new PHINode. */
1722     PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, 2, "IV.S.", PH);
1723
1724     /* create new increment. '++d' in above example. */
1725     Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
1726     BinaryOperator *NewIncr =
1727       BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
1728                                Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
1729                              NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
1730
1731     NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
1732     NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
1733
1734     /* Remove cast operation */
1735     ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
1736     ShadowUse->eraseFromParent();
1737     Changed = true;
1738     break;
1739   }
1740 }
1741
1742 /// FindIVUserForCond - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1743 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1744 /// false.
1745 bool LSRInstance::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse) {
1746   for (IVUsers::iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1747     if (UI->getUser() == Cond) {
1748       // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1749       // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1750       // occurs enough in real life to handle.
1751       CondUse = UI;
1752       return true;
1753     }
1754   return false;
1755 }
1756
1757 /// OptimizeMax - Rewrite the loop's terminating condition if it uses
1758 /// a max computation.
1759 ///
1760 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
1761 /// like this:
1762 ///
1763 ///   i = 0;
1764 ///   do {
1765 ///     p[i] = 0.0;
1766 ///   } while (++i < n);
1767 ///
1768 /// the trip count isn't just 'n', because 'n' might not be positive. And
1769 /// unfortunately this can come up even for loops where the user didn't use
1770 /// a C do-while loop. For example, seemingly well-behaved top-test loops
1771 /// will commonly be lowered like this:
1772 //
1773 ///   if (n > 0) {
1774 ///     i = 0;
1775 ///     do {
1776 ///       p[i] = 0.0;
1777 ///     } while (++i < n);
1778 ///   }
1779 ///
1780 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
1781 /// test in such a way that indvars can't find it.
1782 ///
1783 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
1784 /// max expression, which allows it to give the loop a canonical
1785 /// induction variable:
1786 ///
1787 ///   i = 0;
1788 ///   max = n < 1 ? 1 : n;
1789 ///   do {
1790 ///     p[i] = 0.0;
1791 ///   } while (++i != max);
1792 ///
1793 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
1794 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
1795 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
1796 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
1797 /// needed, and it does this using a simple analysis that only succeeds if
1798 /// the loop has a canonical induction variable.
1799 ///
1800 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
1801 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
1802 ///
1803 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
1804 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
1805 /// the instructions for the maximum computation.
1806 ///
1807 ICmpInst *LSRInstance::OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse) {
1808   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
1809   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
1810       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
1811     return Cond;
1812
1813   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
1814   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
1815
1816   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1817   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1818     return Cond;
1819   const SCEV *One = SE.getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1);
1820
1821   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
1822   const SCEV *IterationCount = SE.getAddExpr(One, BackedgeTakenCount);
1823   if (IterationCount != SE.getSCEV(Sel)) return Cond;
1824
1825   // Check for a max calculation that matches the pattern. There's no check
1826   // for ICMP_ULE here because the comparison would be with zero, which
1827   // isn't interesting.
1828   CmpInst::Predicate Pred = ICmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
1829   const SCEVNAryExpr *Max = 0;
1830   if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(BackedgeTakenCount)) {
1831     Pred = ICmpInst::ICMP_SLE;
1832     Max = S;
1833   } else if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(IterationCount)) {
1834     Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
1835     Max = S;
1836   } else if (const SCEVUMaxExpr *U = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(IterationCount)) {
1837     Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
1838     Max = U;
1839   } else {
1840     // No match; bail.
1841     return Cond;
1842   }
1843
1844   // To handle a max with more than two operands, this optimization would
1845   // require additional checking and setup.
1846   if (Max->getNumOperands() != 2)
1847     return Cond;
1848
1849   const SCEV *MaxLHS = Max->getOperand(0);
1850   const SCEV *MaxRHS = Max->getOperand(1);
1851
1852   // ScalarEvolution canonicalizes constants to the left. For < and >, look
1853   // for a comparison with 1. For <= and >=, a comparison with zero.
1854   if (!MaxLHS ||
1855       (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred) ? !MaxLHS->isZero() : (MaxLHS != One)))
1856     return Cond;
1857
1858   // Check the relevant induction variable for conformance to
1859   // the pattern.
1860   const SCEV *IV = SE.getSCEV(Cond->getOperand(0));
1861   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
1862   if (!AR || !AR->isAffine() ||
1863       AR->getStart() != One ||
1864       AR->getStepRecurrence(SE) != One)
1865     return Cond;
1866
1867   assert(AR->getLoop() == L &&
1868          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
1869
1870   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
1871   // be used in the new comparison instruction.
1872   Value *NewRHS = 0;
1873   if (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred)) {
1874     // Look for n+1, and grab n.
1875     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(1)))
1876       if (isa<ConstantInt>(BO->getOperand(1)) &&
1877           cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1))->isOne() &&
1878           SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
1879         NewRHS = BO->getOperand(0);
1880     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(2)))
1881       if (isa<ConstantInt>(BO->getOperand(1)) &&
1882           cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1))->isOne() &&
1883           SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
1884         NewRHS = BO->getOperand(0);
1885     if (!NewRHS)
1886       return Cond;
1887   } else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(1)) == MaxRHS)
1888     NewRHS = Sel->getOperand(1);
1889   else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(2)) == MaxRHS)
1890     NewRHS = Sel->getOperand(2);
1891   else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(MaxRHS))
1892     NewRHS = SU->getValue();
1893   else
1894     // Max doesn't match expected pattern.
1895     return Cond;
1896
1897   // Determine the new comparison opcode. It may be signed or unsigned,
1898   // and the original comparison may be either equality or inequality.
1899   if (Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_EQ)
1900     Pred = CmpInst::getInversePredicate(Pred);
1901
1902   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
1903   // delete the max calculation.
1904   ICmpInst *NewCond =
1905     new ICmpInst(Cond, Pred, Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp");
1906
1907   // Delete the max calculation instructions.
1908   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
1909   CondUse->setUser(NewCond);
1910   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
1911   Cond->eraseFromParent();
1912   Sel->eraseFromParent();
1913   if (Cmp->use_empty())
1914     Cmp->eraseFromParent();
1915   return NewCond;
1916 }
1917
1918 /// OptimizeLoopTermCond - Change loop terminating condition to use the
1919 /// postinc iv when possible.
1920 void
1921 LSRInstance::OptimizeLoopTermCond() {
1922   SmallPtrSet<Instruction *, 4> PostIncs;
1923
1924   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1925   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
1926   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
1927
1928   for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
1929     BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
1930
1931     // Get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1932     // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1933     // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1934     // one register value.
1935
1936     BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1937     if (!TermBr)
1938       continue;
1939     // FIXME: Overly conservative, termination condition could be an 'or' etc..
1940     if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1941       continue;
1942
1943     // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1944     IVStrideUse *CondUse = 0;
1945     ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1946     if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse))
1947       continue;
1948
1949     // If the trip count is computed in terms of a max (due to ScalarEvolution
1950     // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
1951     // comparison to use SLT or ULT instead of NE.
1952     // One consequence of doing this now is that it disrupts the count-down
1953     // optimization. That's not always a bad thing though, because in such
1954     // cases it may still be worthwhile to avoid a max.
1955     Cond = OptimizeMax(Cond, CondUse);
1956
1957     // If this exiting block dominates the latch block, it may also use
1958     // the post-inc value if it won't be shared with other uses.
1959     // Check for dominance.
1960     if (!DT.dominates(ExitingBlock, LatchBlock))
1961       continue;
1962
1963     // Conservatively avoid trying to use the post-inc value in non-latch
1964     // exits if there may be pre-inc users in intervening blocks.
1965     if (LatchBlock != ExitingBlock)
1966       for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1967         // Test if the use is reachable from the exiting block. This dominator
1968         // query is a conservative approximation of reachability.
1969         if (&*UI != CondUse &&
1970             !DT.properlyDominates(UI->getUser()->getParent(), ExitingBlock)) {
1971           // Conservatively assume there may be reuse if the quotient of their
1972           // strides could be a legal scale.
1973           const SCEV *A = IU.getStride(*CondUse, L);
1974           const SCEV *B = IU.getStride(*UI, L);
1975           if (!A || !B) continue;
1976           if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) !=
1977               SE.getTypeSizeInBits(B->getType())) {
1978             if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) >
1979                 SE.getTypeSizeInBits(B->getType()))
1980               B = SE.getSignExtendExpr(B, A->getType());
1981             else
1982               A = SE.getSignExtendExpr(A, B->getType());
1983           }
1984           if (const SCEVConstant *D =
1985                 dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(B, A, SE))) {
1986             const ConstantInt *C = D->getValue();
1987             // Stride of one or negative one can have reuse with non-addresses.
1988             if (C->isOne() || C->isAllOnesValue())
1989               goto decline_post_inc;
1990             // Avoid weird situations.
1991             if (C->getValue().getMinSignedBits() >= 64 ||
1992                 C->getValue().isMinSignedValue())
1993               goto decline_post_inc;
1994             // Without TLI, assume that any stride might be valid, and so any
1995             // use might be shared.
1996             if (!TLI)
1997               goto decline_post_inc;
1998             // Check for possible scaled-address reuse.
1999             Type *AccessTy = getAccessType(UI->getUser());
2000             TargetLowering::AddrMode AM;
2001             AM.Scale = C->getSExtValue();
2002             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
2003               goto decline_post_inc;
2004             AM.Scale = -AM.Scale;
2005             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
2006               goto decline_post_inc;
2007           }
2008         }
2009
2010     DEBUG(dbgs() << "  Change loop exiting icmp to use postinc iv: "
2011                  << *Cond << '\n');
2012
2013     // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
2014     // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
2015     // the exiting block branch, move it.
2016     if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != TermBr) {
2017       if (Cond->hasOneUse()) {
2018         Cond->moveBefore(TermBr);
2019       } else {
2020         // Clone the terminating condition and insert into the loopend.
2021         ICmpInst *OldCond = Cond;
2022         Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
2023         Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2024         ExitingBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
2025
2026         // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2027         CondUse = &IU.AddUser(Cond, CondUse->getOperandValToReplace());
2028         TermBr->replaceUsesOfWith(OldCond, Cond);
2029       }
2030     }
2031
2032     // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2033     // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2034     // live ranges for the IV correctly.
2035     CondUse->transformToPostInc(L);
2036     Changed = true;
2037
2038     PostIncs.insert(Cond);
2039   decline_post_inc:;
2040   }
2041
2042   // Determine an insertion point for the loop induction variable increment. It
2043   // must dominate all the post-inc comparisons we just set up, and it must
2044   // dominate the loop latch edge.
2045   IVIncInsertPos = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2046   for (SmallPtrSet<Instruction *, 4>::const_iterator I = PostIncs.begin(),
2047        E = PostIncs.end(); I != E; ++I) {
2048     BasicBlock *BB =
2049       DT.findNearestCommonDominator(IVIncInsertPos->getParent(),
2050                                     (*I)->getParent());
2051     if (BB == (*I)->getParent())
2052       IVIncInsertPos = *I;
2053     else if (BB != IVIncInsertPos->getParent())
2054       IVIncInsertPos = BB->getTerminator();
2055   }
2056 }
2057
2058 /// reconcileNewOffset - Determine if the given use can accommodate a fixup
2059 /// at the given offset and other details. If so, update the use and
2060 /// return true.
2061 bool
2062 LSRInstance::reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
2063                                 LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy) {
2064   int64_t NewMinOffset = LU.MinOffset;
2065   int64_t NewMaxOffset = LU.MaxOffset;
2066   Type *NewAccessTy = AccessTy;
2067
2068   // Check for a mismatched kind. It's tempting to collapse mismatched kinds to
2069   // something conservative, however this can pessimize in the case that one of
2070   // the uses will have all its uses outside the loop, for example.
2071   if (LU.Kind != Kind)
2072     return false;
2073   // Conservatively assume HasBaseReg is true for now.
2074   if (NewOffset < LU.MinOffset) {
2075     if (!isAlwaysFoldable(LU.MaxOffset - NewOffset, 0, HasBaseReg,
2076                           Kind, AccessTy, TLI))
2077       return false;
2078     NewMinOffset = NewOffset;
2079   } else if (NewOffset > LU.MaxOffset) {
2080     if (!isAlwaysFoldable(NewOffset - LU.MinOffset, 0, HasBaseReg,
2081                           Kind, AccessTy, TLI))
2082       return false;
2083     NewMaxOffset = NewOffset;
2084   }
2085   // Check for a mismatched access type, and fall back conservatively as needed.
2086   // TODO: Be less conservative when the type is similar and can use the same
2087   // addressing modes.
2088   if (Kind == LSRUse::Address && AccessTy != LU.AccessTy)
2089     NewAccessTy = Type::getVoidTy(AccessTy->getContext());
2090
2091   // Update the use.
2092   LU.MinOffset = NewMinOffset;
2093   LU.MaxOffset = NewMaxOffset;
2094   LU.AccessTy = NewAccessTy;
2095   if (NewOffset != LU.Offsets.back())
2096     LU.Offsets.push_back(NewOffset);
2097   return true;
2098 }
2099
2100 /// getUse - Return an LSRUse index and an offset value for a fixup which
2101 /// needs the given expression, with the given kind and optional access type.
2102 /// Either reuse an existing use or create a new one, as needed.
2103 std::pair<size_t, int64_t>
2104 LSRInstance::getUse(const SCEV *&Expr,
2105                     LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy) {
2106   const SCEV *Copy = Expr;
2107   int64_t Offset = ExtractImmediate(Expr, SE);
2108
2109   // Basic uses can't accept any offset, for example.
2110   if (!isAlwaysFoldable(Offset, 0, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy, TLI)) {
2111     Expr = Copy;
2112     Offset = 0;
2113   }
2114
2115   std::pair<UseMapTy::iterator, bool> P =
2116     UseMap.insert(std::make_pair(std::make_pair(Expr, Kind), 0));
2117   if (!P.second) {
2118     // A use already existed with this base.
2119     size_t LUIdx = P.first->second;
2120     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2121     if (reconcileNewOffset(LU, Offset, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy))
2122       // Reuse this use.
2123       return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2124   }
2125
2126   // Create a new use.
2127   size_t LUIdx = Uses.size();
2128   P.first->second = LUIdx;
2129   Uses.push_back(LSRUse(Kind, AccessTy));
2130   LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2131
2132   // We don't need to track redundant offsets, but we don't need to go out
2133   // of our way here to avoid them.
2134   if (LU.Offsets.empty() || Offset != LU.Offsets.back())
2135     LU.Offsets.push_back(Offset);
2136
2137   LU.MinOffset = Offset;
2138   LU.MaxOffset = Offset;
2139   return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2140 }
2141
2142 /// DeleteUse - Delete the given use from the Uses list.
2143 void LSRInstance::DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2144   if (&LU != &Uses.back())
2145     std::swap(LU, Uses.back());
2146   Uses.pop_back();
2147
2148   // Update RegUses.
2149   RegUses.SwapAndDropUse(LUIdx, Uses.size());
2150 }
2151
2152 /// FindUseWithFormula - Look for a use distinct from OrigLU which is has
2153 /// a formula that has the same registers as the given formula.
2154 LSRUse *
2155 LSRInstance::FindUseWithSimilarFormula(const Formula &OrigF,
2156                                        const LSRUse &OrigLU) {
2157   // Search all uses for the formula. This could be more clever.
2158   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2159     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2160     // Check whether this use is close enough to OrigLU, to see whether it's
2161     // worthwhile looking through its formulae.
2162     // Ignore ICmpZero uses because they may contain formulae generated by
2163     // GenerateICmpZeroScales, in which case adding fixup offsets may
2164     // be invalid.
2165     if (&LU != &OrigLU &&
2166         LU.Kind != LSRUse::ICmpZero &&
2167         LU.Kind == OrigLU.Kind && OrigLU.AccessTy == LU.AccessTy &&
2168         LU.WidestFixupType == OrigLU.WidestFixupType &&
2169         LU.HasFormulaWithSameRegs(OrigF)) {
2170       // Scan through this use's formulae.
2171       for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
2172            E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
2173         const Formula &F = *I;
2174         // Check to see if this formula has the same registers and symbols
2175         // as OrigF.
2176         if (F.BaseRegs == OrigF.BaseRegs &&
2177             F.ScaledReg == OrigF.ScaledReg &&
2178             F.AM.BaseGV == OrigF.AM.BaseGV &&
2179             F.AM.Scale == OrigF.AM.Scale &&
2180             F.UnfoldedOffset == OrigF.UnfoldedOffset) {
2181           if (F.AM.BaseOffs == 0)
2182             return &LU;
2183           // This is the formula where all the registers and symbols matched;
2184           // there aren't going to be any others. Since we declined it, we
2185           // can skip the rest of the formulae and procede to the next LSRUse.
2186           break;
2187         }
2188       }
2189     }
2190   }
2191
2192   // Nothing looked good.
2193   return 0;
2194 }
2195
2196 void LSRInstance::CollectInterestingTypesAndFactors() {
2197   SmallSetVector<const SCEV *, 4> Strides;
2198
2199   // Collect interesting types and strides.
2200   SmallVector<const SCEV *, 4> Worklist;
2201   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
2202     const SCEV *Expr = IU.getExpr(*UI);
2203
2204     // Collect interesting types.
2205     Types.insert(SE.getEffectiveSCEVType(Expr->getType()));
2206
2207     // Add strides for mentioned loops.
2208     Worklist.push_back(Expr);
2209     do {
2210       const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2211       if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2212         if (AR->getLoop() == L)
2213           Strides.insert(AR->getStepRecurrence(SE));
2214         Worklist.push_back(AR->getStart());
2215       } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2216         Worklist.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
2217       }
2218     } while (!Worklist.empty());
2219   }
2220
2221   // Compute interesting factors from the set of interesting strides.
2222   for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator
2223        I = Strides.begin(), E = Strides.end(); I != E; ++I)
2224     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator NewStrideIter =
2225          llvm::next(I); NewStrideIter != E; ++NewStrideIter) {
2226       const SCEV *OldStride = *I;
2227       const SCEV *NewStride = *NewStrideIter;
2228
2229       if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) !=
2230           SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType())) {
2231         if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) >
2232             SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType()))
2233           NewStride = SE.getSignExtendExpr(NewStride, OldStride->getType());
2234         else
2235           OldStride = SE.getSignExtendExpr(OldStride, NewStride->getType());
2236       }
2237       if (const SCEVConstant *Factor =
2238             dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(NewStride, OldStride,
2239                                                         SE, true))) {
2240         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2241           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2242       } else if (const SCEVConstant *Factor =
2243                    dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(OldStride,
2244                                                                NewStride,
2245                                                                SE, true))) {
2246         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2247           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2248       }
2249     }
2250
2251   // If all uses use the same type, don't bother looking for truncation-based
2252   // reuse.
2253   if (Types.size() == 1)
2254     Types.clear();
2255
2256   DEBUG(print_factors_and_types(dbgs()));
2257 }
2258
2259 /// findIVOperand - Helper for CollectChains that finds an IV operand (computed
2260 /// by an AddRec in this loop) within [OI,OE) or returns OE. If IVUsers mapped
2261 /// Instructions to IVStrideUses, we could partially skip this.
2262 static User::op_iterator
2263 findIVOperand(User::op_iterator OI, User::op_iterator OE,
2264               Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
2265   for(; OI != OE; ++OI) {
2266     if (Instruction *Oper = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2267       if (!SE.isSCEVable(Oper->getType()))
2268         continue;
2269
2270       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
2271           dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Oper))) {
2272         if (AR->getLoop() == L)
2273           break;
2274       }
2275     }
2276   }
2277   return OI;
2278 }
2279
2280 /// getWideOperand - IVChain logic must consistenctly peek base TruncInst
2281 /// operands, so wrap it in a convenient helper.
2282 static Value *getWideOperand(Value *Oper) {
2283   if (TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(Oper))
2284     return Trunc->getOperand(0);
2285   return Oper;
2286 }
2287
2288 /// isCompatibleIVType - Return true if we allow an IV chain to include both
2289 /// types.
2290 static bool isCompatibleIVType(Value *LVal, Value *RVal) {
2291   Type *LType = LVal->getType();
2292   Type *RType = RVal->getType();
2293   return (LType == RType) || (LType->isPointerTy() && RType->isPointerTy());
2294 }
2295
2296 /// getExprBase - Return an approximation of this SCEV expression's "base", or
2297 /// NULL for any constant. Returning the expression itself is
2298 /// conservative. Returning a deeper subexpression is more precise and valid as
2299 /// long as it isn't less complex than another subexpression. For expressions
2300 /// involving multiple unscaled values, we need to return the pointer-type
2301 /// SCEVUnknown. This avoids forming chains across objects, such as:
2302 /// PrevOper==a[i], IVOper==b[i], IVInc==b-a.
2303 ///
2304 /// Since SCEVUnknown is the rightmost type, and pointers are the rightmost
2305 /// SCEVUnknown, we simply return the rightmost SCEV operand.
2306 static const SCEV *getExprBase(const SCEV *S) {
2307   switch (S->getSCEVType()) {
2308   default: // uncluding scUnknown.
2309     return S;
2310   case scConstant:
2311     return 0;
2312   case scTruncate:
2313     return getExprBase(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand());
2314   case scZeroExtend:
2315     return getExprBase(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand());
2316   case scSignExtend:
2317     return getExprBase(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand());
2318   case scAddExpr: {
2319     // Skip over scaled operands (scMulExpr) to follow add operands as long as
2320     // there's nothing more complex.
2321     // FIXME: not sure if we want to recognize negation.
2322     const SCEVAddExpr *Add = cast<SCEVAddExpr>(S);
2323     for (std::reverse_iterator<SCEVAddExpr::op_iterator> I(Add->op_end()),
2324            E(Add->op_begin()); I != E; ++I) {
2325       const SCEV *SubExpr = *I;
2326       if (SubExpr->getSCEVType() == scAddExpr)
2327         return getExprBase(SubExpr);
2328
2329       if (SubExpr->getSCEVType() != scMulExpr)
2330         return SubExpr;
2331     }
2332     return S; // all operands are scaled, be conservative.
2333   }
2334   case scAddRecExpr:
2335     return getExprBase(cast<SCEVAddRecExpr>(S)->getStart());
2336   }
2337 }
2338
2339 /// Return true if the chain increment is profitable to expand into a loop
2340 /// invariant value, which may require its own register. A profitable chain
2341 /// increment will be an offset relative to the same base. We allow such offsets
2342 /// to potentially be used as chain increment as long as it's not obviously
2343 /// expensive to expand using real instructions.
2344 static const SCEV *
2345 getProfitableChainIncrement(Value *NextIV, Value *PrevIV,
2346                             const IVChain &Chain, Loop *L,
2347                             ScalarEvolution &SE, const TargetLowering *TLI) {
2348   // Prune the solution space aggressively by checking that both IV operands
2349   // are expressions that operate on the same unscaled SCEVUnknown. This
2350   // "base" will be canceled by the subsequent getMinusSCEV call. Checking first
2351   // avoids creating extra SCEV expressions.
2352   const SCEV *OperExpr = SE.getSCEV(NextIV);
2353   const SCEV *PrevExpr = SE.getSCEV(PrevIV);
2354   if (getExprBase(OperExpr) != getExprBase(PrevExpr) && !StressIVChain)
2355     return 0;
2356
2357   const SCEV *IncExpr = SE.getMinusSCEV(OperExpr, PrevExpr);
2358   if (!SE.isLoopInvariant(IncExpr, L))
2359     return 0;
2360
2361   // We are not able to expand an increment unless it is loop invariant,
2362   // however, the following checks are purely for profitability.
2363   if (StressIVChain)
2364     return IncExpr;
2365
2366   // Do not replace a constant offset from IV head with a nonconstant IV
2367   // increment.
2368   if (!isa<SCEVConstant>(IncExpr)) {
2369     const SCEV *HeadExpr = SE.getSCEV(getWideOperand(Chain.Incs[0].IVOperand));
2370     if (isa<SCEVConstant>(SE.getMinusSCEV(OperExpr, HeadExpr)))
2371       return 0;
2372   }
2373
2374   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
2375   if (isHighCostExpansion(IncExpr, Processed, SE))
2376     return 0;
2377
2378   return IncExpr;
2379 }
2380
2381 /// Return true if the number of registers needed for the chain is estimated to
2382 /// be less than the number required for the individual IV users. First prohibit
2383 /// any IV users that keep the IV live across increments (the Users set should
2384 /// be empty). Next count the number and type of increments in the chain.
2385 ///
2386 /// Chaining IVs can lead to considerable code bloat if ISEL doesn't
2387 /// effectively use postinc addressing modes. Only consider it profitable it the
2388 /// increments can be computed in fewer registers when chained.
2389 ///
2390 /// TODO: Consider IVInc free if it's already used in another chains.
2391 static bool
2392 isProfitableChain(IVChain &Chain, SmallPtrSet<Instruction*, 4> &Users,
2393                   ScalarEvolution &SE, const TargetLowering *TLI) {
2394   if (StressIVChain)
2395     return true;
2396
2397   if (!Chain.hasIncs())
2398     return false;
2399
2400   if (!Users.empty()) {
2401     DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " users:\n";
2402           for (SmallPtrSet<Instruction*, 4>::const_iterator I = Users.begin(),
2403                  E = Users.end(); I != E; ++I) {
2404             dbgs() << "  " << **I << "\n";
2405           });
2406     return false;
2407   }
2408   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2409
2410   // The chain itself may require a register, so intialize cost to 1.
2411   int cost = 1;
2412
2413   // A complete chain likely eliminates the need for keeping the original IV in
2414   // a register. LSR does not currently know how to form a complete chain unless
2415   // the header phi already exists.
2416   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())
2417       && SE.getSCEV(Chain.tailUserInst()) == Chain.Incs[0].IncExpr) {
2418     --cost;
2419   }
2420   const SCEV *LastIncExpr = 0;
2421   unsigned NumConstIncrements = 0;
2422   unsigned NumVarIncrements = 0;
2423   unsigned NumReusedIncrements = 0;
2424   for (IVChain::const_iterator I = Chain.begin(), E = Chain.end();
2425        I != E; ++I) {
2426
2427     if (I->IncExpr->isZero())
2428       continue;
2429
2430     // Incrementing by zero or some constant is neutral. We assume constants can
2431     // be folded into an addressing mode or an add's immediate operand.
2432     if (isa<SCEVConstant>(I->IncExpr)) {
2433       ++NumConstIncrements;
2434       continue;
2435     }
2436
2437     if (I->IncExpr == LastIncExpr)
2438       ++NumReusedIncrements;
2439     else
2440       ++NumVarIncrements;
2441
2442     LastIncExpr = I->IncExpr;
2443   }
2444   // An IV chain with a single increment is handled by LSR's postinc
2445   // uses. However, a chain with multiple increments requires keeping the IV's
2446   // value live longer than it needs to be if chained.
2447   if (NumConstIncrements > 1)
2448     --cost;
2449
2450   // Materializing increment expressions in the preheader that didn't exist in
2451   // the original code may cost a register. For example, sign-extended array
2452   // indices can produce ridiculous increments like this:
2453   // IV + ((sext i32 (2 * %s) to i64) + (-1 * (sext i32 %s to i64)))
2454   cost += NumVarIncrements;
2455
2456   // Reusing variable increments likely saves a register to hold the multiple of
2457   // the stride.
2458   cost -= NumReusedIncrements;
2459
2460   DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " Cost: " << cost
2461                << "\n");
2462
2463   return cost < 0;
2464 }
2465
2466 /// ChainInstruction - Add this IV user to an existing chain or make it the head
2467 /// of a new chain.
2468 void LSRInstance::ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
2469                                    SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec) {
2470   // When IVs are used as types of varying widths, they are generally converted
2471   // to a wider type with some uses remaining narrow under a (free) trunc.
2472   Value *NextIV = getWideOperand(IVOper);
2473
2474   // Visit all existing chains. Check if its IVOper can be computed as a
2475   // profitable loop invariant increment from the last link in the Chain.
2476   unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2477   const SCEV *LastIncExpr = 0;
2478   for (; ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2479     Value *PrevIV = getWideOperand(IVChainVec[ChainIdx].Incs.back().IVOperand);
2480     if (!isCompatibleIVType(PrevIV, NextIV))
2481       continue;
2482
2483     // A phi node terminates a chain.
2484     if (isa<PHINode>(UserInst)
2485         && isa<PHINode>(IVChainVec[ChainIdx].tailUserInst()))
2486       continue;
2487
2488     if (const SCEV *IncExpr =
2489         getProfitableChainIncrement(NextIV, PrevIV, IVChainVec[ChainIdx],
2490                                     L, SE, TLI)) {
2491       LastIncExpr = IncExpr;
2492       break;
2493     }
2494   }
2495   // If we haven't found a chain, create a new one, unless we hit the max. Don't
2496   // bother for phi nodes, because they must be last in the chain.
2497   if (ChainIdx == NChains) {
2498     if (isa<PHINode>(UserInst))
2499       return;
2500     if (NChains >= MaxChains && !StressIVChain) {
2501       DEBUG(dbgs() << "IV Chain Limit\n");
2502       return;
2503     }
2504     LastIncExpr = SE.getSCEV(NextIV);
2505     // IVUsers may have skipped over sign/zero extensions. We don't currently
2506     // attempt to form chains involving extensions unless they can be hoisted
2507     // into this loop's AddRec.
2508     if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LastIncExpr))
2509       return;
2510     ++NChains;
2511     IVChainVec.resize(NChains);
2512     ChainUsersVec.resize(NChains);
2513     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << " Head: (" << *UserInst
2514                  << ") IV=" << *LastIncExpr << "\n");
2515   }
2516   else
2517     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << "  Inc: (" << *UserInst
2518                  << ") IV+" << *LastIncExpr << "\n");
2519
2520   // Add this IV user to the end of the chain.
2521   IVChainVec[ChainIdx].add(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr));
2522
2523   SmallPtrSet<Instruction*,4> &NearUsers = ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers;
2524   // This chain's NearUsers become FarUsers.
2525   if (!LastIncExpr->isZero()) {
2526     ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.insert(NearUsers.begin(),
2527                                             NearUsers.end());
2528     NearUsers.clear();
2529   }
2530
2531   // All other uses of IVOperand become near uses of the chain.
2532   // We currently ignore intermediate values within SCEV expressions, assuming
2533   // they will eventually be used be the current chain, or can be computed
2534   // from one of the chain increments. To be more precise we could
2535   // transitively follow its user and only add leaf IV users to the set.
2536   for (Value::use_iterator UseIter = IVOper->use_begin(),
2537          UseEnd = IVOper->use_end(); UseIter != UseEnd; ++UseIter) {
2538     Instruction *OtherUse = dyn_cast<Instruction>(*UseIter);
2539     if (!OtherUse || OtherUse == UserInst)
2540       continue;
2541     if (SE.isSCEVable(OtherUse->getType())
2542         && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(OtherUse))
2543         && IU.isIVUserOrOperand(OtherUse)) {
2544       continue;
2545     }
2546     NearUsers.insert(OtherUse);
2547   }
2548
2549   // Since this user is part of the chain, it's no longer considered a use
2550   // of the chain.
2551   ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.erase(UserInst);
2552 }
2553
2554 /// CollectChains - Populate the vector of Chains.
2555 ///
2556 /// This decreases ILP at the architecture level. Targets with ample registers,
2557 /// multiple memory ports, and no register renaming probably don't want
2558 /// this. However, such targets should probably disable LSR altogether.
2559 ///
2560 /// The job of LSR is to make a reasonable choice of induction variables across
2561 /// the loop. Subsequent passes can easily "unchain" computation exposing more
2562 /// ILP *within the loop* if the target wants it.
2563 ///
2564 /// Finding the best IV chain is potentially a scheduling problem. Since LSR
2565 /// will not reorder memory operations, it will recognize this as a chain, but
2566 /// will generate redundant IV increments. Ideally this would be corrected later
2567 /// by a smart scheduler:
2568 ///        = A[i]
2569 ///        = A[i+x]
2570 /// A[i]   =
2571 /// A[i+x] =
2572 ///
2573 /// TODO: Walk the entire domtree within this loop, not just the path to the
2574 /// loop latch. This will discover chains on side paths, but requires
2575 /// maintaining multiple copies of the Chains state.
2576 void LSRInstance::CollectChains() {
2577   DEBUG(dbgs() << "Collecting IV Chains.\n");
2578   SmallVector<ChainUsers, 8> ChainUsersVec;
2579
2580   SmallVector<BasicBlock *,8> LatchPath;
2581   BasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2582   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopLatch());
2583        Rung->getBlock() != LoopHeader; Rung = Rung->getIDom()) {
2584     LatchPath.push_back(Rung->getBlock());
2585   }
2586   LatchPath.push_back(LoopHeader);
2587
2588   // Walk the instruction stream from the loop header to the loop latch.
2589   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::reverse_iterator
2590          BBIter = LatchPath.rbegin(), BBEnd = LatchPath.rend();
2591        BBIter != BBEnd; ++BBIter) {
2592     for (BasicBlock::iterator I = (*BBIter)->begin(), E = (*BBIter)->end();
2593          I != E; ++I) {
2594       // Skip instructions that weren't seen by IVUsers analysis.
2595       if (isa<PHINode>(I) || !IU.isIVUserOrOperand(I))
2596         continue;
2597
2598       // Ignore users that are part of a SCEV expression. This way we only
2599       // consider leaf IV Users. This effectively rediscovers a portion of
2600       // IVUsers analysis but in program order this time.
2601       if (SE.isSCEVable(I->getType()) && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(I)))
2602         continue;
2603
2604       // Remove this instruction from any NearUsers set it may be in.
2605       for (unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2606            ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2607         ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers.erase(I);
2608       }
2609       // Search for operands that can be chained.
2610       SmallPtrSet<Instruction*, 4> UniqueOperands;
2611       User::op_iterator IVOpEnd = I->op_end();
2612       User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(I->op_begin(), IVOpEnd, L, SE);
2613       while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2614         Instruction *IVOpInst = cast<Instruction>(*IVOpIter);
2615         if (UniqueOperands.insert(IVOpInst))
2616           ChainInstruction(I, IVOpInst, ChainUsersVec);
2617         IVOpIter = findIVOperand(llvm::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2618       }
2619     } // Continue walking down the instructions.
2620   } // Continue walking down the domtree.
2621   // Visit phi backedges to determine if the chain can generate the IV postinc.
2622   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2623        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2624     if (!SE.isSCEVable(PN->getType()))
2625       continue;
2626
2627     Instruction *IncV =
2628       dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2629     if (IncV)
2630       ChainInstruction(PN, IncV, ChainUsersVec);
2631   }
2632   // Remove any unprofitable chains.
2633   unsigned ChainIdx = 0;
2634   for (unsigned UsersIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2635        UsersIdx < NChains; ++UsersIdx) {
2636     if (!isProfitableChain(IVChainVec[UsersIdx],
2637                            ChainUsersVec[UsersIdx].FarUsers, SE, TLI))
2638       continue;
2639     // Preserve the chain at UsesIdx.
2640     if (ChainIdx != UsersIdx)
2641       IVChainVec[ChainIdx] = IVChainVec[UsersIdx];
2642     FinalizeChain(IVChainVec[ChainIdx]);
2643     ++ChainIdx;
2644   }
2645   IVChainVec.resize(ChainIdx);
2646 }
2647
2648 void LSRInstance::FinalizeChain(IVChain &Chain) {
2649   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2650   DEBUG(dbgs() << "Final Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << "\n");
2651
2652   for (IVChain::const_iterator I = Chain.begin(), E = Chain.end();
2653        I != E; ++I) {
2654     DEBUG(dbgs() << "        Inc: " << *I->UserInst << "\n");
2655     User::op_iterator UseI =
2656       std::find(I->UserInst->op_begin(), I->UserInst->op_end(), I->IVOperand);
2657     assert(UseI != I->UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2658     IVIncSet.insert(UseI);
2659   }
2660 }
2661
2662 /// Return true if the IVInc can be folded into an addressing mode.
2663 static bool canFoldIVIncExpr(const SCEV *IncExpr, Instruction *UserInst,
2664                              Value *Operand, const TargetLowering *TLI) {
2665   const SCEVConstant *IncConst = dyn_cast<SCEVConstant>(IncExpr);
2666   if (!IncConst || !isAddressUse(UserInst, Operand))
2667     return false;
2668
2669   if (IncConst->getValue()->getValue().getMinSignedBits() > 64)
2670     return false;
2671
2672   int64_t IncOffset = IncConst->getValue()->getSExtValue();
2673   if (!isAlwaysFoldable(IncOffset, /*BaseGV=*/0, /*HaseBaseReg=*/false,
2674                        LSRUse::Address, getAccessType(UserInst), TLI))
2675     return false;
2676
2677   return true;
2678 }
2679
2680 /// GenerateIVChains - Generate an add or subtract for each IVInc in a chain to
2681 /// materialize the IV user's operand from the previous IV user's operand.
2682 void LSRInstance::GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
2683                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
2684   // Find the new IVOperand for the head of the chain. It may have been replaced
2685   // by LSR.
2686   const IVInc &Head = Chain.Incs[0];
2687   User::op_iterator IVOpEnd = Head.UserInst->op_end();
2688   User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(Head.UserInst->op_begin(),
2689                                              IVOpEnd, L, SE);
2690   Value *IVSrc = 0;
2691   while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2692     IVSrc = getWideOperand(*IVOpIter);
2693
2694     // If this operand computes the expression that the chain needs, we may use
2695     // it. (Check this after setting IVSrc which is used below.)
2696     //
2697     // Note that if Head.IncExpr is wider than IVSrc, then this phi is too
2698     // narrow for the chain, so we can no longer use it. We do allow using a
2699     // wider phi, assuming the LSR checked for free truncation. In that case we
2700     // should already have a truncate on this operand such that
2701     // getSCEV(IVSrc) == IncExpr.
2702     if (SE.getSCEV(*IVOpIter) == Head.IncExpr
2703         || SE.getSCEV(IVSrc) == Head.IncExpr) {
2704       break;
2705     }
2706     IVOpIter = findIVOperand(llvm::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2707   }
2708   if (IVOpIter == IVOpEnd) {
2709     // Gracefully give up on this chain.
2710     DEBUG(dbgs() << "Concealed chain head: " << *Head.UserInst << "\n");
2711     return;
2712   }
2713
2714   DEBUG(dbgs() << "Generate chain at: " << *IVSrc << "\n");
2715   Type *IVTy = IVSrc->getType();
2716   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(IVTy);
2717   const SCEV *LeftOverExpr = 0;
2718   for (IVChain::const_iterator IncI = Chain.begin(),
2719          IncE = Chain.end(); IncI != IncE; ++IncI) {
2720
2721     Instruction *InsertPt = IncI->UserInst;
2722     if (isa<PHINode>(InsertPt))
2723       InsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2724
2725     // IVOper will replace the current IV User's operand. IVSrc is the IV
2726     // value currently held in a register.
2727     Value *IVOper = IVSrc;
2728     if (!IncI->IncExpr->isZero()) {
2729       // IncExpr was the result of subtraction of two narrow values, so must
2730       // be signed.
2731       const SCEV *IncExpr = SE.getNoopOrSignExtend(IncI->IncExpr, IntTy);
2732       LeftOverExpr = LeftOverExpr ?
2733         SE.getAddExpr(LeftOverExpr, IncExpr) : IncExpr;
2734     }
2735     if (LeftOverExpr && !LeftOverExpr->isZero()) {
2736       // Expand the IV increment.
2737       Rewriter.clearPostInc();
2738       Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(LeftOverExpr, IntTy, InsertPt);
2739       const SCEV *IVOperExpr = SE.getAddExpr(SE.getUnknown(IVSrc),
2740                                              SE.getUnknown(IncV));
2741       IVOper = Rewriter.expandCodeFor(IVOperExpr, IVTy, InsertPt);
2742
2743       // If an IV increment can't be folded, use it as the next IV value.
2744       if (!canFoldIVIncExpr(LeftOverExpr, IncI->UserInst, IncI->IVOperand,
2745                             TLI)) {
2746         assert(IVTy == IVOper->getType() && "inconsistent IV increment type");
2747         IVSrc = IVOper;
2748         LeftOverExpr = 0;
2749       }
2750     }
2751     Type *OperTy = IncI->IVOperand->getType();
2752     if (IVTy != OperTy) {
2753       assert(SE.getTypeSizeInBits(IVTy) >= SE.getTypeSizeInBits(OperTy) &&
2754              "cannot extend a chained IV");
2755       IRBuilder<> Builder(InsertPt);
2756       IVOper = Builder.CreateTruncOrBitCast(IVOper, OperTy, "lsr.chain");
2757     }
2758     IncI->UserInst->replaceUsesOfWith(IncI->IVOperand, IVOper);
2759     DeadInsts.push_back(IncI->IVOperand);
2760   }
2761   // If LSR created a new, wider phi, we may also replace its postinc. We only
2762   // do this if we also found a wide value for the head of the chain.
2763   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())) {
2764     for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2765          PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2766       if (!isCompatibleIVType(Phi, IVSrc))
2767         continue;
2768       Instruction *PostIncV = dyn_cast<Instruction>(
2769         Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2770       if (!PostIncV || (SE.getSCEV(PostIncV) != SE.getSCEV(IVSrc)))
2771         continue;
2772       Value *IVOper = IVSrc;
2773       Type *PostIncTy = PostIncV->getType();
2774       if (IVTy != PostIncTy) {
2775         assert(PostIncTy->isPointerTy() && "mixing int/ptr IV types");
2776         IRBuilder<> Builder(L->getLoopLatch()->getTerminator());
2777         Builder.SetCurrentDebugLocation(PostIncV->getDebugLoc());
2778         IVOper = Builder.CreatePointerCast(IVSrc, PostIncTy, "lsr.chain");
2779       }
2780       Phi->replaceUsesOfWith(PostIncV, IVOper);
2781       DeadInsts.push_back(PostIncV);
2782     }
2783   }
2784 }
2785
2786 void LSRInstance::CollectFixupsAndInitialFormulae() {
2787   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
2788     Instruction *UserInst = UI->getUser();
2789     // Skip IV users that are part of profitable IV Chains.
2790     User::op_iterator UseI = std::find(UserInst->op_begin(), UserInst->op_end(),
2791                                        UI->getOperandValToReplace());
2792     assert(UseI != UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2793     if (IVIncSet.count(UseI))
2794       continue;
2795
2796     // Record the uses.
2797     LSRFixup &LF = getNewFixup();
2798     LF.UserInst = UserInst;
2799     LF.OperandValToReplace = UI->getOperandValToReplace();
2800     LF.PostIncLoops = UI->getPostIncLoops();
2801
2802     LSRUse::KindType Kind = LSRUse::Basic;
2803     Type *AccessTy = 0;
2804     if (isAddressUse(LF.UserInst, LF.OperandValToReplace)) {
2805       Kind = LSRUse::Address;
2806       AccessTy = getAccessType(LF.UserInst);
2807     }
2808
2809     const SCEV *S = IU.getExpr(*UI);
2810
2811     // Equality (== and !=) ICmps are special. We can rewrite (i == N) as
2812     // (N - i == 0), and this allows (N - i) to be the expression that we work
2813     // with rather than just N or i, so we can consider the register
2814     // requirements for both N and i at the same time. Limiting this code to
2815     // equality icmps is not a problem because all interesting loops use
2816     // equality icmps, thanks to IndVarSimplify.
2817     if (ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(LF.UserInst))
2818       if (CI->isEquality()) {
2819         // Swap the operands if needed to put the OperandValToReplace on the
2820         // left, for consistency.
2821         Value *NV = CI->getOperand(1);
2822         if (NV == LF.OperandValToReplace) {
2823           CI->setOperand(1, CI->getOperand(0));
2824           CI->setOperand(0, NV);
2825           NV = CI->getOperand(1);
2826           Changed = true;
2827         }
2828
2829         // x == y  -->  x - y == 0
2830         const SCEV *N = SE.getSCEV(NV);
2831         if (SE.isLoopInvariant(N, L)) {
2832           // S is normalized, so normalize N before folding it into S
2833           // to keep the result normalized.
2834           N = TransformForPostIncUse(Normalize, N, CI, 0,
2835                                      LF.PostIncLoops, SE, DT);
2836           Kind = LSRUse::ICmpZero;
2837           S = SE.getMinusSCEV(N, S);
2838         }
2839
2840         // -1 and the negations of all interesting strides (except the negation
2841         // of -1) are now also interesting.
2842         for (size_t i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
2843           if (Factors[i] != -1)
2844             Factors.insert(-(uint64_t)Factors[i]);
2845         Factors.insert(-1);
2846       }
2847
2848     // Set up the initial formula for this use.
2849     std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, Kind, AccessTy);
2850     LF.LUIdx = P.first;
2851     LF.Offset = P.second;
2852     LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
2853     LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
2854     if (!LU.WidestFixupType ||
2855         SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
2856         SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
2857       LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
2858
2859     // If this is the first use of this LSRUse, give it a formula.
2860     if (LU.Formulae.empty()) {
2861       InsertInitialFormula(S, LU, LF.LUIdx);
2862       CountRegisters(LU.Formulae.back(), LF.LUIdx);
2863     }
2864   }
2865
2866   DEBUG(print_fixups(dbgs()));
2867 }
2868
2869 /// InsertInitialFormula - Insert a formula for the given expression into
2870 /// the given use, separating out loop-variant portions from loop-invariant
2871 /// and loop-computable portions.
2872 void
2873 LSRInstance::InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2874   Formula F;
2875   F.InitialMatch(S, L, SE);
2876   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2877   assert(Inserted && "Initial formula already exists!"); (void)Inserted;
2878 }
2879
2880 /// InsertSupplementalFormula - Insert a simple single-register formula for
2881 /// the given expression into the given use.
2882 void
2883 LSRInstance::InsertSupplementalFormula(const SCEV *S,
2884                                        LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2885   Formula F;
2886   F.BaseRegs.push_back(S);
2887   F.AM.HasBaseReg = true;
2888   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2889   assert(Inserted && "Supplemental formula already exists!"); (void)Inserted;
2890 }
2891
2892 /// CountRegisters - Note which registers are used by the given formula,
2893 /// updating RegUses.
2894 void LSRInstance::CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx) {
2895   if (F.ScaledReg)
2896     RegUses.CountRegister(F.ScaledReg, LUIdx);
2897   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
2898        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I)
2899     RegUses.CountRegister(*I, LUIdx);
2900 }
2901
2902 /// InsertFormula - If the given formula has not yet been inserted, add it to
2903 /// the list, and return true. Return false otherwise.
2904 bool LSRInstance::InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F) {
2905   if (!LU.InsertFormula(F))
2906     return false;
2907
2908   CountRegisters(F, LUIdx);
2909   return true;
2910 }
2911
2912 /// CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae - Check for other uses of
2913 /// loop-invariant values which we're tracking. These other uses will pin these
2914 /// values in registers, making them less profitable for elimination.
2915 /// TODO: This currently misses non-constant addrec step registers.
2916 /// TODO: Should this give more weight to users inside the loop?
2917 void
2918 LSRInstance::CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae() {
2919   SmallVector<const SCEV *, 8> Worklist(RegUses.begin(), RegUses.end());
2920   SmallPtrSet<const SCEV *, 8> Inserted;
2921
2922   while (!Worklist.empty()) {
2923     const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2924
2925     if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S))
2926       Worklist.append(N->op_begin(), N->op_end());
2927     else if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
2928       Worklist.push_back(C->getOperand());
2929     else if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
2930       Worklist.push_back(D->getLHS());
2931       Worklist.push_back(D->getRHS());
2932     } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
2933       if (!Inserted.insert(U)) continue;
2934       const Value *V = U->getValue();
2935       if (const Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V)) {
2936         // Look for instructions defined outside the loop.
2937         if (L->contains(Inst)) continue;
2938       } else if (isa<UndefValue>(V))
2939         // Undef doesn't have a live range, so it doesn't matter.
2940         continue;
2941       for (Value::const_use_iterator UI = V->use_begin(), UE = V->use_end();
2942            UI != UE; ++UI) {
2943         const Instruction *UserInst = dyn_cast<Instruction>(*UI);
2944         // Ignore non-instructions.
2945         if (!UserInst)
2946           continue;
2947         // Ignore instructions in other functions (as can happen with
2948         // Constants).
2949         if (UserInst->getParent()->getParent() != L->getHeader()->getParent())
2950           continue;
2951         // Ignore instructions not dominated by the loop.
2952         const BasicBlock *UseBB = !isa<PHINode>(UserInst) ?
2953           UserInst->getParent() :
2954           cast<PHINode>(UserInst)->getIncomingBlock(
2955             PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo()));
2956         if (!DT.dominates(L->getHeader(), UseBB))
2957           continue;
2958         // Ignore uses which are part of other SCEV expressions, to avoid
2959         // analyzing them multiple times.
2960         if (SE.isSCEVable(UserInst->getType())) {
2961           const SCEV *UserS = SE.getSCEV(const_cast<Instruction *>(UserInst));
2962           // If the user is a no-op, look through to its uses.
2963           if (!isa<SCEVUnknown>(UserS))
2964             continue;
2965           if (UserS == U) {
2966             Worklist.push_back(
2967               SE.getUnknown(const_cast<Instruction *>(UserInst)));
2968             continue;
2969           }
2970         }
2971         // Ignore icmp instructions which are already being analyzed.
2972         if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UserInst)) {
2973           unsigned OtherIdx = !UI.getOperandNo();
2974           Value *OtherOp = const_cast<Value *>(ICI->getOperand(OtherIdx));
2975           if (SE.hasComputableLoopEvolution(SE.getSCEV(OtherOp), L))
2976             continue;
2977         }
2978
2979         LSRFixup &LF = getNewFixup();
2980         LF.UserInst = const_cast<Instruction *>(UserInst);
2981         LF.OperandValToReplace = UI.getUse();
2982         std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, LSRUse::Basic, 0);
2983         LF.LUIdx = P.first;
2984         LF.Offset = P.second;
2985         LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
2986         LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
2987         if (!LU.WidestFixupType ||
2988             SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
2989             SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
2990           LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
2991         InsertSupplementalFormula(U, LU, LF.LUIdx);
2992         CountRegisters(LU.Formulae.back(), Uses.size() - 1);
2993         break;
2994       }
2995     }
2996   }
2997 }
2998
2999 /// CollectSubexprs - Split S into subexpressions which can be pulled out into
3000 /// separate registers. If C is non-null, multiply each subexpression by C.
3001 static void CollectSubexprs(const SCEV *S, const SCEVConstant *C,
3002                             SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
3003                             const Loop *L,
3004                             ScalarEvolution &SE) {
3005   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
3006     // Break out add operands.
3007     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
3008          I != E; ++I)
3009       CollectSubexprs(*I, C, Ops, L, SE);
3010     return;
3011   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
3012     // Split a non-zero base out of an addrec.
3013     if (!AR->getStart()->isZero()) {
3014       CollectSubexprs(SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(AR->getType(), 0),
3015                                        AR->getStepRecurrence(SE),
3016                                        AR->getLoop(),
3017                                        //FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
3018                                        SCEV::FlagAnyWrap),
3019                       C, Ops, L, SE);
3020       CollectSubexprs(AR->getStart(), C, Ops, L, SE);
3021       return;
3022     }
3023   } else if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
3024     // Break (C * (a + b + c)) into C*a + C*b + C*c.
3025     if (Mul->getNumOperands() == 2)
3026       if (const SCEVConstant *Op0 =
3027             dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))) {
3028         CollectSubexprs(Mul->getOperand(1),
3029                         C ? cast<SCEVConstant>(SE.getMulExpr(C, Op0)) : Op0,
3030                         Ops, L, SE);
3031         return;
3032       }
3033   }
3034
3035   // Otherwise use the value itself, optionally with a scale applied.
3036   Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, S) : S);
3037 }
3038
3039 /// GenerateReassociations - Split out subexpressions from adds and the bases of
3040 /// addrecs.
3041 void LSRInstance::GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3042                                          Formula Base,
3043                                          unsigned Depth) {
3044   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
3045   if (Depth >= 3) return;
3046
3047   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3048     const SCEV *BaseReg = Base.BaseRegs[i];
3049
3050     SmallVector<const SCEV *, 8> AddOps;
3051     CollectSubexprs(BaseReg, 0, AddOps, L, SE);
3052
3053     if (AddOps.size() == 1) continue;
3054
3055     for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = AddOps.begin(),
3056          JE = AddOps.end(); J != JE; ++J) {
3057
3058       // Loop-variant "unknown" values are uninteresting; we won't be able to
3059       // do anything meaningful with them.
3060       if (isa<SCEVUnknown>(*J) && !SE.isLoopInvariant(*J, L))
3061         continue;
3062
3063       // Don't pull a constant into a register if the constant could be folded
3064       // into an immediate field.
3065       if (isAlwaysFoldable(*J, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3066                            Base.getNumRegs() > 1,
3067                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
3068         continue;
3069
3070       // Collect all operands except *J.
3071       SmallVector<const SCEV *, 8> InnerAddOps
3072         (((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).begin(), J);
3073       InnerAddOps.append
3074         (llvm::next(J), ((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).end());
3075
3076       // Don't leave just a constant behind in a register if the constant could
3077       // be folded into an immediate field.
3078       if (InnerAddOps.size() == 1 &&
3079           isAlwaysFoldable(InnerAddOps[0], LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3080                            Base.getNumRegs() > 1,
3081                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
3082         continue;
3083
3084       const SCEV *InnerSum = SE.getAddExpr(InnerAddOps);
3085       if (InnerSum->isZero())
3086         continue;
3087       Formula F = Base;
3088
3089       // Add the remaining pieces of the add back into the new formula.
3090       const SCEVConstant *InnerSumSC = dyn_cast<SCEVConstant>(InnerSum);
3091       if (TLI && InnerSumSC &&
3092           SE.getTypeSizeInBits(InnerSumSC->getType()) <= 64 &&
3093           TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3094                                    InnerSumSC->getValue()->getZExtValue())) {
3095         F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3096                            InnerSumSC->getValue()->getZExtValue();
3097         F.BaseRegs.erase(F.BaseRegs.begin() + i);
3098       } else
3099         F.BaseRegs[i] = InnerSum;
3100
3101       // Add J as its own register, or an unfolded immediate.
3102       const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*J);
3103       if (TLI && SC && SE.getTypeSizeInBits(SC->getType()) <= 64 &&
3104           TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3105                                    SC->getValue()->getZExtValue()))
3106         F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3107                            SC->getValue()->getZExtValue();
3108       else
3109         F.BaseRegs.push_back(*J);
3110
3111       if (InsertFormula(LU, LUIdx, F))
3112         // If that formula hadn't been seen before, recurse to find more like
3113         // it.
3114         GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae.back(), Depth+1);
3115     }
3116   }
3117 }
3118
3119 /// GenerateCombinations - Generate a formula consisting of all of the
3120 /// loop-dominating registers added into a single register.
3121 void LSRInstance::GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3122                                        Formula Base) {
3123   // This method is only interesting on a plurality of registers.
3124   if (Base.BaseRegs.size() <= 1) return;
3125
3126   Formula F = Base;
3127   F.BaseRegs.clear();
3128   SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
3129   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3130        I = Base.BaseRegs.begin(), E = Base.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
3131     const SCEV *BaseReg = *I;
3132     if (SE.properlyDominates(BaseReg, L->getHeader()) &&
3133         !SE.hasComputableLoopEvolution(BaseReg, L))
3134       Ops.push_back(BaseReg);
3135     else
3136       F.BaseRegs.push_back(BaseReg);
3137   }
3138   if (Ops.size() > 1) {
3139     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Ops);
3140     // TODO: If Sum is zero, it probably means ScalarEvolution missed an
3141     // opportunity to fold something. For now, just ignore such cases
3142     // rather than proceed with zero in a register.
3143     if (!Sum->isZero()) {
3144       F.BaseRegs.push_back(Sum);
3145       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3146     }
3147   }
3148 }
3149
3150 /// GenerateSymbolicOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3151 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3152                                           Formula Base) {
3153   // We can't add a symbolic offset if the address already contains one.
3154   if (Base.AM.BaseGV) return;
3155
3156   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3157     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
3158     GlobalValue *GV = ExtractSymbol(G, SE);
3159     if (G->isZero() || !GV)
3160       continue;
3161     Formula F = Base;
3162     F.AM.BaseGV = GV;
3163     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3164                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3165       continue;
3166     F.BaseRegs[i] = G;
3167     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3168   }
3169 }
3170
3171 /// GenerateConstantOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3172 void LSRInstance::GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3173                                           Formula Base) {
3174   // TODO: For now, just add the min and max offset, because it usually isn't
3175   // worthwhile looking at everything inbetween.
3176   SmallVector<int64_t, 2> Worklist;
3177   Worklist.push_back(LU.MinOffset);
3178   if (LU.MaxOffset != LU.MinOffset)
3179     Worklist.push_back(LU.MaxOffset);
3180
3181   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3182     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
3183
3184     for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Worklist.begin(),
3185          E = Worklist.end(); I != E; ++I) {
3186       Formula F = Base;
3187       F.AM.BaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs - *I;
3188       if (isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset - *I, LU.MaxOffset - *I,
3189                      LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3190         // Add the offset to the base register.
3191         const SCEV *NewG = SE.getAddExpr(SE.getConstant(G->getType(), *I), G);
3192         // If it cancelled out, drop the base register, otherwise update it.
3193         if (NewG->isZero()) {
3194           std::swap(F.BaseRegs[i], F.BaseRegs.back());
3195           F.BaseRegs.pop_back();
3196         } else
3197           F.BaseRegs[i] = NewG;
3198
3199         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3200       }
3201     }
3202
3203     int64_t Imm = ExtractImmediate(G, SE);
3204     if (G->isZero() || Imm == 0)
3205       continue;
3206     Formula F = Base;
3207     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Imm;
3208     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3209                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3210       continue;
3211     F.BaseRegs[i] = G;
3212     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3213   }
3214 }
3215
3216 /// GenerateICmpZeroScales - For ICmpZero, check to see if we can scale up
3217 /// the comparison. For example, x == y -> x*c == y*c.
3218 void LSRInstance::GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3219                                          Formula Base) {
3220   if (LU.Kind != LSRUse::ICmpZero) return;
3221
3222   // Determine the integer type for the base formula.
3223   Type *IntTy = Base.getType();
3224   if (!IntTy) return;
3225   if (SE.getTypeSizeInBits(IntTy) > 64) return;
3226
3227   // Don't do this if there is more than one offset.
3228   if (LU.MinOffset != LU.MaxOffset) return;
3229
3230   assert(!Base.AM.BaseGV && "ICmpZero use is not legal!");
3231
3232   // Check each interesting stride.
3233   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
3234        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
3235     int64_t Factor = *I;
3236
3237     // Check that the multiplication doesn't overflow.
3238     if (Base.AM.BaseOffs == INT64_MIN && Factor == -1)
3239       continue;
3240     int64_t NewBaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs * Factor;
3241     if (NewBaseOffs / Factor != Base.AM.BaseOffs)
3242       continue;
3243
3244     // Check that multiplying with the use offset doesn't overflow.
3245     int64_t Offset = LU.MinOffset;
3246     if (Offset == INT64_MIN && Factor == -1)
3247       continue;
3248     Offset = (uint64_t)Offset * Factor;
3249     if (Offset / Factor != LU.MinOffset)
3250       continue;
3251
3252     Formula F = Base;
3253     F.AM.BaseOffs = NewBaseOffs;
3254
3255     // Check that this scale is legal.
3256     if (!isLegalUse(F.AM, Offset, Offset, LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3257       continue;
3258
3259     // Compensate for the use having MinOffset built into it.
3260     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Offset - LU.MinOffset;
3261
3262     const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3263
3264     // Check that multiplying with each base register doesn't overflow.
3265     for (size_t i = 0, e = F.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3266       F.BaseRegs[i] = SE.getMulExpr(F.BaseRegs[i], FactorS);
3267       if (getExactSDiv(F.BaseRegs[i], FactorS, SE) != Base.BaseRegs[i])
3268         goto next;
3269     }
3270
3271     // Check that multiplying with the scaled register doesn't overflow.
3272     if (F.ScaledReg) {
3273       F.ScaledReg = SE.getMulExpr(F.ScaledReg, FactorS);
3274       if (getExactSDiv(F.ScaledReg, FactorS, SE) != Base.ScaledReg)
3275         continue;
3276     }
3277
3278     // Check that multiplying with the unfolded offset doesn't overflow.
3279     if (F.UnfoldedOffset != 0) {
3280       if (F.UnfoldedOffset == INT64_MIN && Factor == -1)
3281         continue;
3282       F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset * Factor;
3283       if (F.UnfoldedOffset / Factor != Base.UnfoldedOffset)
3284         continue;
3285     }
3286
3287     // If we make it here and it's legal, add it.
3288     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3289   next:;
3290   }
3291 }
3292
3293 /// GenerateScales - Generate stride factor reuse formulae by making use of
3294 /// scaled-offset address modes, for example.
3295 void LSRInstance::GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3296   // Determine the integer type for the base formula.
3297   Type *IntTy = Base.getType();
3298   if (!IntTy) return;
3299
3300   // If this Formula already has a scaled register, we can't add another one.
3301   if (Base.AM.Scale != 0) return;
3302
3303   // Check each interesting stride.
3304   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
3305        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
3306     int64_t Factor = *I;
3307
3308     Base.AM.Scale = Factor;
3309     Base.AM.HasBaseReg = Base.BaseRegs.size() > 1;
3310     // Check whether this scale is going to be legal.
3311     if (!isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3312                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3313       // As a special-case, handle special out-of-loop Basic users specially.
3314       // TODO: Reconsider this special case.
3315       if (LU.Kind == LSRUse::Basic &&
3316           isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3317                      LSRUse::Special, LU.AccessTy, TLI) &&
3318           LU.AllFixupsOutsideLoop)
3319         LU.Kind = LSRUse::Special;
3320       else
3321         continue;
3322     }
3323     // For an ICmpZero, negating a solitary base register won't lead to
3324     // new solutions.
3325     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero &&
3326         !Base.AM.HasBaseReg && Base.AM.BaseOffs == 0 && !Base.AM.BaseGV)
3327       continue;
3328     // For each addrec base reg, apply the scale, if possible.
3329     for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3330       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
3331             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base.BaseRegs[i])) {
3332         const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3333         if (FactorS->isZero())
3334           continue;
3335         // Divide out the factor, ignoring high bits, since we'll be
3336         // scaling the value back up in the end.
3337         if (const SCEV *Quotient = getExactSDiv(AR, FactorS, SE, true)) {
3338           // TODO: This could be optimized to avoid all the copying.
3339           Formula F = Base;
3340           F.ScaledReg = Quotient;
3341           F.DeleteBaseReg(F.BaseRegs[i]);
3342           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3343         }
3344       }
3345   }
3346 }
3347
3348 /// GenerateTruncates - Generate reuse formulae from different IV types.
3349 void LSRInstance::GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3350   // This requires TargetLowering to tell us which truncates are free.
3351   if (!TLI) return;
3352
3353   // Don't bother truncating symbolic values.
3354   if (Base.AM.BaseGV) return;
3355
3356   // Determine the integer type for the base formula.
3357   Type *DstTy = Base.getType();
3358   if (!DstTy) return;
3359   DstTy = SE.getEffectiveSCEVType(DstTy);
3360
3361   for (SmallSetVector<Type *, 4>::const_iterator
3362        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
3363     Type *SrcTy = *I;
3364     if (SrcTy != DstTy && TLI->isTruncateFree(SrcTy, DstTy)) {
3365       Formula F = Base;
3366
3367       if (F.ScaledReg) F.ScaledReg = SE.getAnyExtendExpr(F.ScaledReg, *I);
3368       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator J = F.BaseRegs.begin(),
3369            JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J)
3370         *J = SE.getAnyExtendExpr(*J, SrcTy);
3371
3372       // TODO: This assumes we've done basic processing on all uses and
3373       // have an idea what the register usage is.
3374       if (!F.hasRegsUsedByUsesOtherThan(LUIdx, RegUses))
3375         continue;
3376
3377       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3378     }
3379   }
3380 }
3381
3382 namespace {
3383
3384 /// WorkItem - Helper class for GenerateCrossUseConstantOffsets. It's used to
3385 /// defer modifications so that the search phase doesn't have to worry about
3386 /// the data structures moving underneath it.
3387 struct WorkItem {
3388   size_t LUIdx;
3389   int64_t Imm;
3390   const SCEV *OrigReg;
3391
3392   WorkItem(size_t LI, int64_t I, const SCEV *R)
3393     : LUIdx(LI), Imm(I), OrigReg(R) {}
3394
3395   void print(raw_ostream &OS) const;
3396   void dump() const;
3397 };
3398
3399 }
3400
3401 void WorkItem::print(raw_ostream &OS) const {
3402   OS << "in formulae referencing " << *OrigReg << " in use " << LUIdx
3403      << " , add offset " << Imm;
3404 }
3405
3406 void WorkItem::dump() const {
3407   print(errs()); errs() << '\n';
3408 }
3409
3410 /// GenerateCrossUseConstantOffsets - Look for registers which are a constant
3411 /// distance apart and try to form reuse opportunities between them.
3412 void LSRInstance::GenerateCrossUseConstantOffsets() {
3413   // Group the registers by their value without any added constant offset.
3414   typedef std::map<int64_t, const SCEV *> ImmMapTy;
3415   typedef DenseMap<const SCEV *, ImmMapTy> RegMapTy;
3416   RegMapTy Map;
3417   DenseMap<const SCEV *, SmallBitVector> UsedByIndicesMap;
3418   SmallVector<const SCEV *, 8> Sequence;
3419   for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
3420        I != E; ++I) {
3421     const SCEV *Reg = *I;
3422     int64_t Imm = ExtractImmediate(Reg, SE);
3423     std::pair<RegMapTy::iterator, bool> Pair =
3424       Map.insert(std::make_pair(Reg, ImmMapTy()));
3425     if (Pair.second)
3426       Sequence.push_back(Reg);
3427     Pair.first->second.insert(std::make_pair(Imm, *I));
3428     UsedByIndicesMap[Reg] |= RegUses.getUsedByIndices(*I);
3429   }
3430
3431   // Now examine each set of registers with the same base value. Build up
3432   // a list of work to do and do the work in a separate step so that we're
3433   // not adding formulae and register counts while we're searching.
3434   SmallVector<WorkItem, 32> WorkItems;
3435   SmallSet<std::pair<size_t, int64_t>, 32> UniqueItems;
3436   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = Sequence.begin(),
3437        E = Sequence.end(); I != E; ++I) {
3438     const SCEV *Reg = *I;
3439     const ImmMapTy &Imms = Map.find(Reg)->second;
3440
3441     // It's not worthwhile looking for reuse if there's only one offset.
3442     if (Imms.size() == 1)
3443       continue;
3444
3445     DEBUG(dbgs() << "Generating cross-use offsets for " << *Reg << ':';
3446           for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3447                J != JE; ++J)
3448             dbgs() << ' ' << J->first;
3449           dbgs() << '\n');
3450
3451     // Examine each offset.
3452     for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3453          J != JE; ++J) {
3454       const SCEV *OrigReg = J->second;
3455
3456       int64_t JImm = J->first;
3457       const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(OrigReg);
3458
3459       if (!isa<SCEVConstant>(OrigReg) &&
3460           UsedByIndicesMap[Reg].count() == 1) {
3461         DEBUG(dbgs() << "Skipping cross-use reuse for " << *OrigReg << '\n');
3462         continue;
3463       }
3464
3465       // Conservatively examine offsets between this orig reg a few selected
3466       // other orig regs.
3467       ImmMapTy::const_iterator OtherImms[] = {
3468         Imms.begin(), prior(Imms.end()),
3469         Imms.lower_bound((Imms.begin()->first + prior(Imms.end())->first) / 2)
3470       };
3471       for (size_t i = 0, e = array_lengthof(OtherImms); i != e; ++i) {
3472         ImmMapTy::const_iterator M = OtherImms[i];
3473         if (M == J || M == JE) continue;
3474
3475         // Compute the difference between the two.
3476         int64_t Imm = (uint64_t)JImm - M->first;
3477         for (int LUIdx = UsedByIndices.find_first(); LUIdx != -1;
3478              LUIdx = UsedByIndices.find_next(LUIdx))
3479           // Make a memo of this use, offset, and register tuple.
3480           if (UniqueItems.insert(std::make_pair(LUIdx, Imm)))
3481             WorkItems.push_back(WorkItem(LUIdx, Imm, OrigReg));
3482       }
3483     }
3484   }
3485
3486   Map.clear();
3487   Sequence.clear();
3488   UsedByIndicesMap.clear();
3489   UniqueItems.clear();
3490
3491   // Now iterate through the worklist and add new formulae.
3492   for (SmallVectorImpl<WorkItem>::const_iterator I = WorkItems.begin(),
3493        E = WorkItems.end(); I != E; ++I) {
3494     const WorkItem &WI = *I;
3495     size_t LUIdx = WI.LUIdx;
3496     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3497     int64_t Imm = WI.Imm;
3498     const SCEV *OrigReg = WI.OrigReg;
3499
3500     Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(OrigReg->getType());
3501     const SCEV *NegImmS = SE.getSCEV(ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Imm));
3502     unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(IntTy);
3503
3504     // TODO: Use a more targeted data structure.
3505     for (size_t L = 0, LE = LU.Formulae.size(); L != LE; ++L) {
3506       const Formula &F = LU.Formulae[L];
3507       // Use the immediate in the scaled register.
3508       if (F.ScaledReg == OrigReg) {
3509         int64_t Offs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs +
3510                        Imm * (uint64_t)F.AM.Scale;
3511         // Don't create 50 + reg(-50).
3512         if (F.referencesReg(SE.getSCEV(
3513                    ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offs))))
3514           continue;
3515         Formula NewF = F;
3516         NewF.AM.BaseOffs = Offs;
3517         if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3518                         LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3519           continue;
3520         NewF.ScaledReg = SE.getAddExpr(NegImmS, NewF.ScaledReg);
3521
3522         // If the new scale is a constant in a register, and adding the constant
3523         // value to the immediate would produce a value closer to zero than the
3524         // immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3525         if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewF.ScaledReg))
3526           if (C->getValue()->isNegative() !=
3527                 (NewF.AM.BaseOffs < 0) &&
3528               (C->getValue()->getValue().abs() * APInt(BitWidth, F.AM.Scale))
3529                 .ule(abs64(NewF.AM.BaseOffs)))
3530             continue;
3531
3532         // OK, looks good.
3533         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3534       } else {
3535         // Use the immediate in a base register.
3536         for (size_t N = 0, NE = F.BaseRegs.size(); N != NE; ++N) {
3537           const SCEV *BaseReg = F.BaseRegs[N];
3538           if (BaseReg != OrigReg)
3539             continue;
3540           Formula NewF = F;
3541           NewF.AM.BaseOffs = (uint64_t)NewF.AM.BaseOffs + Imm;
3542           if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3543                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3544             if (!TLI ||
3545                 !TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm))
3546               continue;
3547             NewF = F;
3548             NewF.UnfoldedOffset = (uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm;
3549           }
3550           NewF.BaseRegs[N] = SE.getAddExpr(NegImmS, BaseReg);
3551
3552           // If the new formula has a constant in a register, and adding the
3553           // constant value to the immediate would produce a value closer to
3554           // zero than the immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3555           for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3556                J = NewF.BaseRegs.begin(), JE = NewF.BaseRegs.end();
3557                J != JE; ++J)
3558             if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*J))
3559               if ((C->getValue()->getValue() + NewF.AM.BaseOffs).abs().slt(
3560                    abs64(NewF.AM.BaseOffs)) &&
3561                   (C->getValue()->getValue() +
3562                    NewF.AM.BaseOffs).countTrailingZeros() >=
3563                    CountTrailingZeros_64(NewF.AM.BaseOffs))
3564                 goto skip_formula;
3565
3566           // Ok, looks good.
3567           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3568           break;
3569         skip_formula:;
3570         }
3571       }
3572     }
3573   }
3574 }
3575
3576 /// GenerateAllReuseFormulae - Generate formulae for each use.
3577 void
3578 LSRInstance::GenerateAllReuseFormulae() {
3579   // This is split into multiple loops so that hasRegsUsedByUsesOtherThan
3580   // queries are more precise.
3581   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3582     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3583     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3584       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3585     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3586       GenerateCombinations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3587   }
3588   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3589     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3590     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3591       GenerateSymbolicOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3592     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3593       GenerateConstantOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3594     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3595       GenerateICmpZeroScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3596     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3597       GenerateScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3598   }
3599   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3600     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3601     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3602       GenerateTruncates(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3603   }
3604
3605   GenerateCrossUseConstantOffsets();
3606
3607   DEBUG(dbgs() << "\n"
3608                   "After generating reuse formulae:\n";
3609         print_uses(dbgs()));
3610 }
3611
3612 /// If there are multiple formulae with the same set of registers used
3613 /// by other uses, pick the best one and delete the others.
3614 void LSRInstance::FilterOutUndesirableDedicatedRegisters() {
3615   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
3616   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> Regs;
3617   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> LoserRegs;
3618 #ifndef NDEBUG
3619   bool ChangedFormulae = false;
3620 #endif
3621
3622   // Collect the best formula for each unique set of shared registers. This
3623   // is reset for each use.
3624   typedef DenseMap<SmallVector<const SCEV *, 2>, size_t, UniquifierDenseMapInfo>
3625     BestFormulaeTy;
3626   BestFormulaeTy BestFormulae;
3627
3628   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3629     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3630     DEBUG(dbgs() << "Filtering for use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3631
3632     bool Any = false;
3633     for (size_t FIdx = 0, NumForms = LU.Formulae.size();
3634          FIdx != NumForms; ++FIdx) {
3635       Formula &F = LU.Formulae[FIdx];
3636
3637       // Some formulas are instant losers. For example, they may depend on
3638       // nonexistent AddRecs from other loops. These need to be filtered
3639       // immediately, otherwise heuristics could choose them over others leading
3640       // to an unsatisfactory solution. Passing LoserRegs into RateFormula here
3641       // avoids the need to recompute this information across formulae using the
3642       // same bad AddRec. Passing LoserRegs is also essential unless we remove
3643       // the corresponding bad register from the Regs set.
3644       Cost CostF;
3645       Regs.clear();
3646       CostF.RateFormula(F, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT,
3647                         &LoserRegs);
3648       if (CostF.isLoser()) {
3649         // During initial formula generation, undesirable formulae are generated
3650         // by uses within other loops that have some non-trivial address mode or
3651         // use the postinc form of the IV. LSR needs to provide these formulae
3652         // as the basis of rediscovering the desired formula that uses an AddRec
3653         // corresponding to the existing phi. Once all formulae have been
3654         // generated, these initial losers may be pruned.
3655         DEBUG(dbgs() << "  Filtering loser "; F.print(dbgs());
3656               dbgs() << "\n");
3657       }
3658       else {
3659         SmallVector<const SCEV *, 2> Key;
3660         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = F.BaseRegs.begin(),
3661                JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J) {
3662           const SCEV *Reg = *J;
3663           if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(Reg, LUIdx))
3664             Key.push_back(Reg);
3665         }
3666         if (F.ScaledReg &&
3667             RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(F.ScaledReg, LUIdx))
3668           Key.push_back(F.ScaledReg);
3669         // Unstable sort by host order ok, because this is only used for
3670         // uniquifying.
3671         std::sort(Key.begin(), Key.end());
3672
3673         std::pair<BestFormulaeTy::const_iterator, bool> P =
3674           BestFormulae.insert(std::make_pair(Key, FIdx));
3675         if (P.second)
3676           continue;
3677
3678         Formula &Best = LU.Formulae[P.first->second];
3679
3680         Cost CostBest;
3681         Regs.clear();
3682         CostBest.RateFormula(Best, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT);
3683         if (CostF < CostBest)
3684           std::swap(F, Best);
3685         DEBUG(dbgs() << "  Filtering out formula "; F.print(dbgs());
3686               dbgs() << "\n"
3687                         "    in favor of formula "; Best.print(dbgs());
3688               dbgs() << '\n');
3689       }
3690 #ifndef NDEBUG
3691       ChangedFormulae = true;
3692 #endif
3693       LU.DeleteFormula(F);
3694       --FIdx;
3695       --NumForms;
3696       Any = true;
3697     }
3698
3699     // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
3700     if (Any)
3701       LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3702
3703     // Reset this to prepare for the next use.
3704     BestFormulae.clear();
3705   }
3706
3707   DEBUG(if (ChangedFormulae) {
3708           dbgs() << "\n"
3709                     "After filtering out undesirable candidates:\n";
3710           print_uses(dbgs());
3711         });
3712 }
3713
3714 // This is a rough guess that seems to work fairly well.
3715 static const size_t ComplexityLimit = UINT16_MAX;
3716
3717 /// EstimateSearchSpaceComplexity - Estimate the worst-case number of
3718 /// solutions the solver might have to consider. It almost never considers
3719 /// this many solutions because it prune the search space, but the pruning
3720 /// isn't always sufficient.
3721 size_t LSRInstance::EstimateSearchSpaceComplexity() const {
3722   size_t Power = 1;
3723   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
3724        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
3725     size_t FSize = I->Formulae.size();
3726     if (FSize >= ComplexityLimit) {
3727       Power = ComplexityLimit;
3728       break;
3729     }
3730     Power *= FSize;
3731     if (Power >= ComplexityLimit)
3732       break;
3733   }
3734   return Power;
3735 }
3736
3737 /// NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets - When one formula uses a superset
3738 /// of the registers of another formula, it won't help reduce register
3739 /// pressure (though it may not necessarily hurt register pressure); remove
3740 /// it to simplify the system.
3741 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets() {
3742   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3743     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3744
3745     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by eliminating formulae "
3746                     "which use a superset of registers used by other "
3747                     "formulae.\n");
3748
3749     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3750       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3751       bool Any = false;
3752       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
3753         Formula &F = LU.Formulae[i];
3754         // Look for a formula with a constant or GV in a register. If the use
3755         // also has a formula with that same value in an immediate field,
3756         // delete the one that uses a register.
3757         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3758              I = F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
3759           if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*I)) {
3760             Formula NewF = F;
3761             NewF.AM.BaseOffs += C->getValue()->getSExtValue();
3762             NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
3763                                 (I - F.BaseRegs.begin()));
3764             if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
3765               DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3766               LU.DeleteFormula(F);
3767               --i;
3768               --e;
3769               Any = true;
3770               break;
3771             }
3772           } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(*I)) {
3773             if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue()))
3774               if (!F.AM.BaseGV) {
3775                 Formula NewF = F;
3776                 NewF.AM.BaseGV = GV;
3777                 NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
3778                                     (I - F.BaseRegs.begin()));
3779                 if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
3780                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
3781                         dbgs() << '\n');
3782                   LU.DeleteFormula(F);
3783                   --i;
3784                   --e;
3785                   Any = true;
3786                   break;
3787                 }
3788               }
3789           }
3790         }
3791       }
3792       if (Any)
3793         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3794     }
3795
3796     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3797           print_uses(dbgs()));
3798   }
3799 }
3800
3801 /// NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode - When there are many registers
3802 /// for expressions like A, A+1, A+2, etc., allocate a single register for
3803 /// them.
3804 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode() {
3805   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3806     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3807
3808     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming that uses "
3809                     "separated by a constant offset will use the same "
3810                     "registers.\n");
3811
3812     // This is especially useful for unrolled loops.
3813
3814     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3815       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3816       for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
3817            E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
3818         const Formula &F = *I;
3819         if (F.AM.BaseOffs != 0 && F.AM.Scale == 0) {
3820           if (LSRUse *LUThatHas = FindUseWithSimilarFormula(F, LU)) {
3821             if (reconcileNewOffset(*LUThatHas, F.AM.BaseOffs,
3822                                    /*HasBaseReg=*/false,
3823                                    LU.Kind, LU.AccessTy)) {
3824               DEBUG(dbgs() << "  Deleting use "; LU.print(dbgs());
3825                     dbgs() << '\n');
3826
3827               LUThatHas->AllFixupsOutsideLoop &= LU.AllFixupsOutsideLoop;
3828
3829               // Update the relocs to reference the new use.
3830               for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::iterator I = Fixups.begin(),
3831                    E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
3832                 LSRFixup &Fixup = *I;
3833                 if (Fixup.LUIdx == LUIdx) {
3834                   Fixup.LUIdx = LUThatHas - &Uses.front();
3835                   Fixup.Offset += F.AM.BaseOffs;
3836                   // Add the new offset to LUThatHas' offset list.
3837                   if (LUThatHas->Offsets.back() != Fixup.Offset) {
3838                     LUThatHas->Offsets.push_back(Fixup.Offset);
3839                     if (Fixup.Offset > LUThatHas->MaxOffset)
3840                       LUThatHas->MaxOffset = Fixup.Offset;
3841                     if (Fixup.Offset < LUThatHas->MinOffset)
3842                       LUThatHas->MinOffset = Fixup.Offset;
3843                   }
3844                   DEBUG(dbgs() << "New fixup has offset "
3845                                << Fixup.Offset << '\n');
3846                 }
3847                 if (Fixup.LUIdx == NumUses-1)
3848                   Fixup.LUIdx = LUIdx;
3849               }
3850
3851               // Delete formulae from the new use which are no longer legal.
3852               bool Any = false;
3853               for (size_t i = 0, e = LUThatHas->Formulae.size(); i != e; ++i) {
3854                 Formula &F = LUThatHas->Formulae[i];
3855                 if (!isLegalUse(F.AM,
3856                                 LUThatHas->MinOffset, LUThatHas->MaxOffset,
3857                                 LUThatHas->Kind, LUThatHas->AccessTy, TLI)) {
3858                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
3859                         dbgs() << '\n');
3860                   LUThatHas->DeleteFormula(F);
3861                   --i;
3862                   --e;
3863                   Any = true;
3864                 }
3865               }
3866               if (Any)
3867                 LUThatHas->RecomputeRegs(LUThatHas - &Uses.front(), RegUses);
3868
3869               // Delete the old use.
3870               DeleteUse(LU, LUIdx);
3871               --LUIdx;
3872               --NumUses;
3873               break;
3874             }
3875           }
3876         }
3877       }
3878     }
3879
3880     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3881           print_uses(dbgs()));
3882   }
3883 }
3884
3885 /// NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters - Call
3886 /// FilterOutUndesirableDedicatedRegisters again, if necessary, now that
3887 /// we've done more filtering, as it may be able to find more formulae to
3888 /// eliminate.
3889 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters(){
3890   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3891     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3892
3893     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by re-filtering out "
3894                     "undesirable dedicated registers.\n");
3895
3896     FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
3897
3898     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3899           print_uses(dbgs()));
3900   }
3901 }
3902
3903 /// NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs - Pick a register which seems likely
3904 /// to be profitable, and then in any use which has any reference to that
3905 /// register, delete all formulae which do not reference that register.
3906 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs() {
3907   // With all other options exhausted, loop until the system is simple
3908   // enough to handle.
3909   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Taken;
3910   while (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3911     // Ok, we have too many of formulae on our hands to conveniently handle.
3912     // Use a rough heuristic to thin out the list.
3913     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3914
3915     // Pick the register which is used by the most LSRUses, which is likely
3916     // to be a good reuse register candidate.
3917     const SCEV *Best = 0;
3918     unsigned BestNum = 0;
3919     for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
3920          I != E; ++I) {
3921       const SCEV *Reg = *I;
3922       if (Taken.count(Reg))
3923         continue;
3924       if (!Best)
3925         Best = Reg;
3926       else {
3927         unsigned Count = RegUses.getUsedByIndices(Reg).count();
3928         if (Count > BestNum) {
3929           Best = Reg;
3930           BestNum = Count;
3931         }
3932       }
3933     }
3934
3935     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming " << *Best
3936                  << " will yield profitable reuse.\n");
3937     Taken.insert(Best);
3938
3939     // In any use with formulae which references this register, delete formulae
3940     // which don't reference it.
3941     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3942       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3943       if (!LU.Regs.count(Best)) continue;
3944
3945       bool Any = false;
3946       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
3947         Formula &F = LU.Formulae[i];
3948         if (!F.referencesReg(Best)) {
3949           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3950           LU.DeleteFormula(F);
3951           --e;
3952           --i;
3953           Any = true;
3954           assert(e != 0 && "Use has no formulae left! Is Regs inconsistent?");
3955           continue;
3956         }
3957       }
3958
3959       if (Any)
3960         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3961     }
3962
3963     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3964           print_uses(dbgs()));
3965   }
3966 }
3967
3968 /// NarrowSearchSpaceUsingHeuristics - If there are an extraordinary number of
3969 /// formulae to choose from, use some rough heuristics to prune down the number
3970 /// of formulae. This keeps the main solver from taking an extraordinary amount
3971 /// of time in some worst-case scenarios.
3972 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceUsingHeuristics() {
3973   NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
3974   NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
3975   NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
3976   NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
3977 }
3978
3979 /// SolveRecurse - This is the recursive solver.
3980 void LSRInstance::SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
3981                                Cost &SolutionCost,
3982                                SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
3983                                const Cost &CurCost,
3984                                const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
3985                                DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const {
3986   // Some ideas:
3987   //  - prune more:
3988   //    - use more aggressive filtering
3989   //    - sort the formula so that the most profitable solutions are found first
3990   //    - sort the uses too
3991   //  - search faster:
3992   //    - don't compute a cost, and then compare. compare while computing a cost
3993   //      and bail early.
3994   //    - track register sets with SmallBitVector
3995
3996   const LSRUse &LU = Uses[Workspace.size()];
3997
3998   // If this use references any register that's already a part of the
3999   // in-progress solution, consider it a requirement that a formula must
4000   // reference that register in order to be considered. This prunes out
4001   // unprofitable searching.
4002   SmallSetVector<const SCEV *, 4> ReqRegs;
4003   for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator I = CurRegs.begin(),
4004        E = CurRegs.end(); I != E; ++I)
4005     if (LU.Regs.count(*I))
4006       ReqRegs.insert(*I);
4007
4008   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> NewRegs;
4009   Cost NewCost;
4010   for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
4011        E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
4012     const Formula &F = *I;
4013
4014     // Ignore formulae which do not use any of the required registers.
4015     bool SatisfiedReqReg = true;
4016     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator J = ReqRegs.begin(),
4017          JE = ReqRegs.end(); J != JE; ++J) {
4018       const SCEV *Reg = *J;
4019       if ((!F.ScaledReg || F.ScaledReg != Reg) &&
4020           std::find(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end(), Reg) ==
4021           F.BaseRegs.end()) {
4022         SatisfiedReqReg = false;
4023         break;
4024       }
4025     }
4026     if (!SatisfiedReqReg) {
4027       // If none of the formulae satisfied the required registers, then we could
4028       // clear ReqRegs and try again. Currently, we simply give up in this case.
4029       continue;
4030     }
4031
4032     // Evaluate the cost of the current formula. If it's already worse than
4033     // the current best, prune the search at that point.
4034     NewCost = CurCost;
4035     NewRegs = CurRegs;
4036     NewCost.RateFormula(F, NewRegs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT);
4037     if (NewCost < SolutionCost) {
4038       Workspace.push_back(&F);
4039       if (Workspace.size() != Uses.size()) {
4040         SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, NewCost,
4041                      NewRegs, VisitedRegs);
4042         if (F.getNumRegs() == 1 && Workspace.size() == 1)
4043           VisitedRegs.insert(F.ScaledReg ? F.ScaledReg : F.BaseRegs[0]);
4044       } else {
4045         DEBUG(dbgs() << "New best at "; NewCost.print(dbgs());
4046               dbgs() << ".\n Regs:";
4047               for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator
4048                    I = NewRegs.begin(), E = NewRegs.end(); I != E; ++I)
4049                 dbgs() << ' ' << **I;
4050               dbgs() << '\n');
4051
4052         SolutionCost = NewCost;
4053         Solution = Workspace;
4054       }
4055       Workspace.pop_back();
4056     }
4057   }
4058 }
4059
4060 /// Solve - Choose one formula from each use. Return the results in the given
4061 /// Solution vector.
4062 void LSRInstance::Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const {
4063   SmallVector<const Formula *, 8> Workspace;
4064   Cost SolutionCost;
4065   SolutionCost.Loose();
4066   Cost CurCost;
4067   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> CurRegs;
4068   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
4069   Workspace.reserve(Uses.size());
4070
4071   // SolveRecurse does all the work.
4072   SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, CurCost,
4073                CurRegs, VisitedRegs);
4074   if (Solution.empty()) {
4075     DEBUG(dbgs() << "\nNo Satisfactory Solution\n");
4076     return;
4077   }
4078
4079   // Ok, we've now made all our decisions.
4080   DEBUG(dbgs() << "\n"
4081                   "The chosen solution requires "; SolutionCost.print(dbgs());
4082         dbgs() << ":\n";
4083         for (size_t i = 0, e = Uses.size(); i != e; ++i) {
4084           dbgs() << "  ";
4085           Uses[i].print(dbgs());
4086           dbgs() << "\n"
4087                     "    ";
4088           Solution[i]->print(dbgs());
4089           dbgs() << '\n';
4090         });
4091
4092   assert(Solution.size() == Uses.size() && "Malformed solution!");
4093 }
4094
4095 /// HoistInsertPosition - Helper for AdjustInsertPositionForExpand. Climb up
4096 /// the dominator tree far as we can go while still being dominated by the
4097 /// input positions. This helps canonicalize the insert position, which
4098 /// encourages sharing.
4099 BasicBlock::iterator
4100 LSRInstance::HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
4101                                  const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs)
4102                                                                          const {
4103   for (;;) {
4104     const Loop *IPLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
4105     unsigned IPLoopDepth = IPLoop ? IPLoop->getLoopDepth() : 0;
4106
4107     BasicBlock *IDom;
4108     for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(IP->getParent()); ; ) {
4109       if (!Rung) return IP;
4110       Rung = Rung->getIDom();
4111       if (!Rung) return IP;
4112       IDom = Rung->getBlock();
4113
4114       // Don't climb into a loop though.
4115       const Loop *IDomLoop = LI.getLoopFor(IDom);
4116       unsigned IDomDepth = IDomLoop ? IDomLoop->getLoopDepth() : 0;
4117       if (IDomDepth <= IPLoopDepth &&
4118           (IDomDepth != IPLoopDepth || IDomLoop == IPLoop))
4119         break;
4120     }
4121
4122     bool AllDominate = true;
4123     Instruction *BetterPos = 0;
4124     Instruction *Tentative = IDom->getTerminator();
4125     for (SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator I = Inputs.begin(),
4126          E = Inputs.end(); I != E; ++I) {
4127       Instruction *Inst = *I;
4128       if (Inst == Tentative || !DT.dominates(Inst, Tentative)) {
4129         AllDominate = false;
4130         break;
4131       }
4132       // Attempt to find an insert position in the middle of the block,
4133       // instead of at the end, so that it can be used for other expansions.
4134       if (IDom == Inst->getParent() &&
4135           (!BetterPos || DT.dominates(BetterPos, Inst)))
4136         BetterPos = llvm::next(BasicBlock::iterator(Inst));
4137     }
4138     if (!AllDominate)
4139       break;
4140     if (BetterPos)
4141       IP = BetterPos;
4142     else
4143       IP = Tentative;
4144   }
4145
4146   return IP;
4147 }
4148
4149 /// AdjustInsertPositionForExpand - Determine an input position which will be
4150 /// dominated by the operands and which will dominate the result.
4151 BasicBlock::iterator
4152 LSRInstance::AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator LowestIP,
4153                                            const LSRFixup &LF,
4154                                            const LSRUse &LU,
4155                                            SCEVExpander &Rewriter) const {
4156   // Collect some instructions which must be dominated by the
4157   // expanding replacement. These must be dominated by any operands that
4158   // will be required in the expansion.
4159   SmallVector<Instruction *, 4> Inputs;
4160   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(LF.OperandValToReplace))
4161     Inputs.push_back(I);
4162   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero)
4163     if (Instruction *I =
4164           dyn_cast<Instruction>(cast<ICmpInst>(LF.UserInst)->getOperand(1)))
4165       Inputs.push_back(I);
4166   if (LF.PostIncLoops.count(L)) {
4167     if (LF.isUseFullyOutsideLoop(L))
4168       Inputs.push_back(L->getLoopLatch()->getTerminator());
4169     else
4170       Inputs.push_back(IVIncInsertPos);
4171   }
4172   // The expansion must also be dominated by the increment positions of any
4173   // loops it for which it is using post-inc mode.
4174   for (PostIncLoopSet::const_iterator I = LF.PostIncLoops.begin(),
4175        E = LF.PostIncLoops.end(); I != E; ++I) {
4176     const Loop *PIL = *I;
4177     if (PIL == L) continue;
4178
4179     // Be dominated by the loop exit.
4180     SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
4181     PIL->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
4182     if (!ExitingBlocks.empty()) {
4183       BasicBlock *BB = ExitingBlocks[0];
4184       for (unsigned i = 1, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i)
4185         BB = DT.findNearestCommonDominator(BB, ExitingBlocks[i]);
4186       Inputs.push_back(BB->getTerminator());
4187     }
4188   }
4189
4190   assert(!isa<PHINode>(LowestIP) && !isa<LandingPadInst>(LowestIP)
4191          && !isa<DbgInfoIntrinsic>(LowestIP) &&
4192          "Insertion point must be a normal instruction");
4193
4194   // Then, climb up the immediate dominator tree as far as we can go while
4195   // still being dominated by the input positions.
4196   BasicBlock::iterator IP = HoistInsertPosition(LowestIP, Inputs);
4197
4198   // Don't insert instructions before PHI nodes.
4199   while (isa<PHINode>(IP)) ++IP;
4200
4201   // Ignore landingpad instructions.
4202   while (isa<LandingPadInst>(IP)) ++IP;
4203
4204   // Ignore debug intrinsics.
4205   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP)) ++IP;
4206
4207   // Set IP below instructions recently inserted by SCEVExpander. This keeps the
4208   // IP consistent across expansions and allows the previously inserted
4209   // instructions to be reused by subsequent expansion.
4210   while (Rewriter.isInsertedInstruction(IP) && IP != LowestIP) ++IP;
4211
4212   return IP;
4213 }
4214
4215 /// Expand - Emit instructions for the leading candidate expression for this
4216 /// LSRUse (this is called "expanding").
4217 Value *LSRInstance::Expand(const LSRFixup &LF,
4218                            const Formula &F,
4219                            BasicBlock::iterator IP,
4220                            SCEVExpander &Rewriter,
4221                            SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const {
4222   const LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
4223
4224   // Determine an input position which will be dominated by the operands and
4225   // which will dominate the result.
4226   IP = AdjustInsertPositionForExpand(IP, LF, LU, Rewriter);
4227
4228   // Inform the Rewriter if we have a post-increment use, so that it can
4229   // perform an advantageous expansion.
4230   Rewriter.setPostInc(LF.PostIncLoops);
4231
4232   // This is the type that the user actually needs.
4233   Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4234   // This will be the type that we'll initially expand to.
4235   Type *Ty = F.getType();
4236   if (!Ty)
4237     // No type known; just expand directly to the ultimate type.
4238     Ty = OpTy;
4239   else if (SE.getEffectiveSCEVType(Ty) == SE.getEffectiveSCEVType(OpTy))
4240     // Expand directly to the ultimate type if it's the right size.
4241     Ty = OpTy;
4242   // This is the type to do integer arithmetic in.
4243   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
4244
4245   // Build up a list of operands to add together to form the full base.
4246   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
4247
4248   // Expand the BaseRegs portion.
4249   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
4250        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
4251     const SCEV *Reg = *I;
4252     assert(!Reg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
4253
4254     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4255     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4256     Reg = TransformForPostIncUse(Denormalize, Reg,
4257                                  LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4258                                  Loops, SE, DT);
4259
4260     Ops.push_back(SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(Reg, 0, IP)));
4261   }
4262
4263   // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4264   if (!Ops.empty()) {
4265     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4266     Ops.clear();
4267     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4268   }
4269
4270   // Expand the ScaledReg portion.
4271   Value *ICmpScaledV = 0;
4272   if (F.AM.Scale != 0) {
4273     const SCEV *ScaledS = F.ScaledReg;
4274
4275     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4276     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4277     ScaledS = TransformForPostIncUse(Denormalize, ScaledS,
4278                                      LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4279                                      Loops, SE, DT);
4280
4281     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4282       // An interesting way of "folding" with an icmp is to use a negated
4283       // scale, which we'll implement by inserting it into the other operand
4284       // of the icmp.
4285       assert(F.AM.Scale == -1 &&
4286              "The only scale supported by ICmpZero uses is -1!");
4287       ICmpScaledV = Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP);
4288     } else {
4289       // Otherwise just expand the scaled register and an explicit scale,
4290       // which is expected to be matched as part of the address.
4291       ScaledS = SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP));
4292       ScaledS = SE.getMulExpr(ScaledS,
4293                               SE.getConstant(ScaledS->getType(), F.AM.Scale));
4294       Ops.push_back(ScaledS);
4295
4296       // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4297       Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4298       Ops.clear();
4299       Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4300     }
4301   }
4302
4303   // Expand the GV portion.
4304   if (F.AM.BaseGV) {
4305     Ops.push_back(SE.getUnknown(F.AM.BaseGV));
4306
4307     // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4308     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4309     Ops.clear();
4310     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4311   }
4312
4313   // Expand the immediate portion.
4314   int64_t Offset = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + LF.Offset;
4315   if (Offset != 0) {
4316     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4317       // The other interesting way of "folding" with an ICmpZero is to use a
4318       // negated immediate.
4319       if (!ICmpScaledV)
4320         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offset);
4321       else {
4322         Ops.push_back(SE.getUnknown(ICmpScaledV));
4323         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, Offset);
4324       }
4325     } else {
4326       // Just add the immediate values. These again are expected to be matched
4327       // as part of the address.
4328       Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy, Offset)));
4329     }
4330   }
4331
4332   // Expand the unfolded offset portion.
4333   int64_t UnfoldedOffset = F.UnfoldedOffset;
4334   if (UnfoldedOffset != 0) {
4335     // Just add the immediate values.
4336     Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy,
4337                                                        UnfoldedOffset)));
4338   }
4339
4340   // Emit instructions summing all the operands.
4341   const SCEV *FullS = Ops.empty() ?
4342                       SE.getConstant(IntTy, 0) :
4343                       SE.getAddExpr(Ops);
4344   Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(FullS, Ty, IP);
4345
4346   // We're done expanding now, so reset the rewriter.
4347   Rewriter.clearPostInc();
4348
4349   // An ICmpZero Formula represents an ICmp which we're handling as a
4350   // comparison against zero. Now that we've expanded an expression for that
4351   // form, update the ICmp's other operand.
4352   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4353     ICmpInst *CI = cast<ICmpInst>(LF.UserInst);
4354     DeadInsts.push_back(CI->getOperand(1));
4355     assert(!F.AM.BaseGV && "ICmp does not support folding a global value and "
4356                            "a scale at the same time!");
4357     if (F.AM.Scale == -1) {
4358       if (ICmpScaledV->getType() != OpTy) {
4359         Instruction *Cast =
4360           CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(ICmpScaledV, false,
4361                                                    OpTy, false),
4362                            ICmpScaledV, OpTy, "tmp", CI);
4363         ICmpScaledV = Cast;
4364       }
4365       CI->setOperand(1, ICmpScaledV);
4366     } else {
4367       assert(F.AM.Scale == 0 &&
4368              "ICmp does not support folding a global value and "
4369              "a scale at the same time!");
4370       Constant *C = ConstantInt::getSigned(SE.getEffectiveSCEVType(OpTy),
4371                                            -(uint64_t)Offset);
4372       if (C->getType() != OpTy)
4373         C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
4374                                                           OpTy, false),
4375                                   C, OpTy);
4376
4377       CI->setOperand(1, C);
4378     }
4379   }
4380
4381   return FullV;
4382 }
4383
4384 /// RewriteForPHI - Helper for Rewrite. PHI nodes are special because the use
4385 /// of their operands effectively happens in their predecessor blocks, so the
4386 /// expression may need to be expanded in multiple places.
4387 void LSRInstance::RewriteForPHI(PHINode *PN,
4388                                 const LSRFixup &LF,
4389                                 const Formula &F,
4390                                 SCEVExpander &Rewriter,
4391                                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4392                                 Pass *P) const {
4393   DenseMap<BasicBlock *, Value *> Inserted;
4394   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
4395     if (PN->getIncomingValue(i) == LF.OperandValToReplace) {
4396       BasicBlock *BB = PN->getIncomingBlock(i);
4397
4398       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
4399       // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
4400       // is the canonical backedge for this loop, which complicates post-inc
4401       // users.
4402       if (e != 1 && BB->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
4403           !isa<IndirectBrInst>(BB->getTerminator())) {
4404         BasicBlock *Parent = PN->getParent();
4405         Loop *PNLoop = LI.getLoopFor(Parent);
4406         if (!PNLoop || Parent != PNLoop->getHeader()) {
4407           // Split the critical edge.
4408           BasicBlock *NewBB = 0;
4409           if (!Parent->isLandingPad()) {
4410             NewBB = SplitCriticalEdge(BB, Parent, P,
4411                                       /*MergeIdenticalEdges=*/true,
4412                                       /*DontDeleteUselessPhis=*/true);
4413           } else {
4414             SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
4415             SplitLandingPadPredecessors(Parent, BB, "", "", P, NewBBs);
4416             NewBB = NewBBs[0];
4417           }
4418
4419           // If PN is outside of the loop and BB is in the loop, we want to
4420           // move the block to be immediately before the PHI block, not
4421           // immediately after BB.
4422           if (L->contains(BB) && !L->contains(PN))
4423             NewBB->moveBefore(PN->getParent());
4424
4425           // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
4426           e = PN->getNumIncomingValues();
4427           BB = NewBB;
4428           i = PN->getBasicBlockIndex(BB);
4429         }
4430       }
4431
4432       std::pair<DenseMap<BasicBlock *, Value *>::iterator, bool> Pair =
4433         Inserted.insert(std::make_pair(BB, static_cast<Value *>(0)));
4434       if (!Pair.second)
4435         PN->setIncomingValue(i, Pair.first->second);
4436       else {
4437         Value *FullV = Expand(LF, F, BB->getTerminator(), Rewriter, DeadInsts);
4438
4439         // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4440         Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4441         if (FullV->getType() != OpTy)
4442           FullV =
4443             CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false,
4444                                                      OpTy, false),
4445                              FullV, LF.OperandValToReplace->getType(),
4446                              "tmp", BB->getTerminator());
4447
4448         PN->setIncomingValue(i, FullV);
4449         Pair.first->second = FullV;
4450       }
4451     }
4452 }
4453
4454 /// Rewrite - Emit instructions for the leading candidate expression for this
4455 /// LSRUse (this is called "expanding"), and update the UserInst to reference
4456 /// the newly expanded value.
4457 void LSRInstance::Rewrite(const LSRFixup &LF,
4458                           const Formula &F,
4459                           SCEVExpander &Rewriter,
4460                           SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4461                           Pass *P) const {
4462   // First, find an insertion point that dominates UserInst. For PHI nodes,
4463   // find the nearest block which dominates all the relevant uses.
4464   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(LF.UserInst)) {
4465     RewriteForPHI(PN, LF, F, Rewriter, DeadInsts, P);
4466   } else {
4467     Value *FullV = Expand(LF, F, LF.UserInst, Rewriter, DeadInsts);
4468
4469     // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4470     Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4471     if (FullV->getType() != OpTy) {
4472       Instruction *Cast =
4473         CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false, OpTy, false),
4474                          FullV, OpTy, "tmp", LF.UserInst);
4475       FullV = Cast;
4476     }
4477
4478     // Update the user. ICmpZero is handled specially here (for now) because
4479     // Expand may have updated one of the operands of the icmp already, and
4480     // its new value may happen to be equal to LF.OperandValToReplace, in
4481     // which case doing replaceUsesOfWith leads to replacing both operands
4482     // with the same value. TODO: Reorganize this.
4483     if (Uses[LF.LUIdx].Kind == LSRUse::ICmpZero)
4484       LF.UserInst->setOperand(0, FullV);
4485     else
4486       LF.UserInst->replaceUsesOfWith(LF.OperandValToReplace, FullV);
4487   }
4488
4489   DeadInsts.push_back(LF.OperandValToReplace);
4490 }
4491
4492 /// ImplementSolution - Rewrite all the fixup locations with new values,
4493 /// following the chosen solution.
4494 void
4495 LSRInstance::ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
4496                                Pass *P) {
4497   // Keep track of instructions we may have made dead, so that
4498   // we can remove them after we are done working.
4499   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
4500
4501   SCEVExpander Rewriter(SE, "lsr");
4502 #ifndef NDEBUG
4503   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
4504 #endif
4505   Rewriter.disableCanonicalMode();
4506   Rewriter.enableLSRMode();
4507   Rewriter.setIVIncInsertPos(L, IVIncInsertPos);
4508
4509   // Mark phi nodes that terminate chains so the expander tries to reuse them.
4510   for (SmallVectorImpl<IVChain>::const_iterator ChainI = IVChainVec.begin(),
4511          ChainE = IVChainVec.end(); ChainI != ChainE; ++ChainI) {
4512     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ChainI->tailUserInst()))
4513       Rewriter.setChainedPhi(PN);
4514   }
4515
4516   // Expand the new value definitions and update the users.
4517   for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::const_iterator I = Fixups.begin(),
4518        E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
4519     const LSRFixup &Fixup = *I;
4520
4521     Rewrite(Fixup, *Solution[Fixup.LUIdx], Rewriter, DeadInsts, P);
4522
4523     Changed = true;
4524   }
4525
4526   for (SmallVectorImpl<IVChain>::const_iterator ChainI = IVChainVec.begin(),
4527          ChainE = IVChainVec.end(); ChainI != ChainE; ++ChainI) {
4528     GenerateIVChain(*ChainI, Rewriter, DeadInsts);
4529     Changed = true;
4530   }
4531   // Clean up after ourselves. This must be done before deleting any
4532   // instructions.
4533   Rewriter.clear();
4534
4535   Changed |= DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
4536 }
4537
4538 LSRInstance::LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P)
4539   : IU(P->getAnalysis<IVUsers>()),
4540     SE(P->getAnalysis<ScalarEvolution>()),
4541     DT(P->getAnalysis<DominatorTree>()),
4542     LI(P->getAnalysis<LoopInfo>()),
4543     TLI(tli), L(l), Changed(false), IVIncInsertPos(0) {
4544
4545   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble.
4546   if (!L->isLoopSimplifyForm())
4547     return;
4548
4549   // If there's no interesting work to be done, bail early.
4550   if (IU.empty()) return;
4551
4552   // If there's too much analysis to be done, bail early. We won't be able to
4553   // model the problem anyway.
4554   unsigned NumUsers = 0;
4555   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
4556     if (++NumUsers > MaxIVUsers) {
4557       DEBUG(dbgs() << "LSR skipping loop, too many IV Users in " << *L
4558             << "\n");
4559       return;
4560     }
4561   }
4562
4563 #ifndef NDEBUG
4564   // All dominating loops must have preheaders, or SCEVExpander may not be able
4565   // to materialize an AddRecExpr whose Start is an outer AddRecExpr.
4566   //
4567   // IVUsers analysis should only create users that are dominated by simple loop
4568   // headers. Since this loop should dominate all of its users, its user list
4569   // should be empty if this loop itself is not within a simple loop nest.
4570   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopPreheader());
4571        Rung; Rung = Rung->getIDom()) {
4572     BasicBlock *BB = Rung->getBlock();
4573     const Loop *DomLoop = LI.getLoopFor(BB);
4574     if (DomLoop && DomLoop->getHeader() == BB) {
4575       assert(DomLoop->getLoopPreheader() && "LSR needs a simplified loop nest");
4576     }
4577   }
4578 #endif // DEBUG
4579
4580   DEBUG(dbgs() << "\nLSR on loop ";
4581         WriteAsOperand(dbgs(), L->getHeader(), /*PrintType=*/false);
4582         dbgs() << ":\n");
4583
4584   // First, perform some low-level loop optimizations.
4585   OptimizeShadowIV();
4586   OptimizeLoopTermCond();
4587
4588   // If loop preparation eliminates all interesting IV users, bail.
4589   if (IU.empty()) return;
4590
4591   // Skip nested loops until we can model them better with formulae.
4592   if (!L->empty()) {
4593     DEBUG(dbgs() << "LSR skipping outer loop " << *L << "\n");
4594     return;
4595   }
4596
4597   // Start collecting data and preparing for the solver.
4598   CollectChains();
4599   CollectInterestingTypesAndFactors();
4600   CollectFixupsAndInitialFormulae();
4601   CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
4602
4603   assert(!Uses.empty() && "IVUsers reported at least one use");
4604   DEBUG(dbgs() << "LSR found " << Uses.size() << " uses:\n";
4605         print_uses(dbgs()));
4606
4607   // Now use the reuse data to generate a bunch of interesting ways
4608   // to formulate the values needed for the uses.
4609   GenerateAllReuseFormulae();
4610
4611   FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
4612   NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
4613
4614   SmallVector<const Formula *, 8> Solution;
4615   Solve(Solution);
4616
4617   // Release memory that is no longer needed.
4618   Factors.clear();
4619   Types.clear();
4620   RegUses.clear();
4621
4622   if (Solution.empty())
4623     return;
4624
4625 #ifndef NDEBUG
4626   // Formulae should be legal.
4627   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
4628        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
4629      const LSRUse &LU = *I;
4630      for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
4631           JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J)
4632         assert(isLegalUse(J->AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
4633                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI) &&
4634                "Illegal formula generated!");
4635   };
4636 #endif
4637
4638   // Now that we've decided what we want, make it so.
4639   ImplementSolution(Solution, P);
4640 }
4641
4642 void LSRInstance::print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const {
4643   if (Factors.empty() && Types.empty()) return;
4644
4645   OS << "LSR has identified the following interesting factors and types: ";
4646   bool First = true;
4647
4648   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
4649        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
4650     if (!First) OS << ", ";
4651     First = false;
4652     OS << '*' << *I;
4653   }
4654
4655   for (SmallSetVector<Type *, 4>::const_iterator
4656        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
4657     if (!First) OS << ", ";
4658     First = false;
4659     OS << '(' << **I << ')';
4660   }
4661   OS << '\n';
4662 }
4663
4664 void LSRInstance::print_fixups(raw_ostream &OS) const {
4665   OS << "LSR is examining the following fixup sites:\n";
4666   for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::const_iterator I = Fixups.begin(),
4667        E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
4668     dbgs() << "  ";
4669     I->print(OS);
4670     OS << '\n';
4671   }
4672 }
4673
4674 void LSRInstance::print_uses(raw_ostream &OS) const {
4675   OS << "LSR is examining the following uses:\n";
4676   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
4677        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
4678     const LSRUse &LU = *I;
4679     dbgs() << "  ";
4680     LU.print(OS);
4681     OS << '\n';
4682     for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
4683          JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J) {
4684       OS << "    ";
4685       J->print(OS);
4686       OS << '\n';
4687     }
4688   }
4689 }
4690
4691 void LSRInstance::print(raw_ostream &OS) const {
4692   print_factors_and_types(OS);
4693   print_fixups(OS);
4694   print_uses(OS);
4695 }
4696
4697 void LSRInstance::dump() const {
4698   print(errs()); errs() << '\n';
4699 }
4700
4701 namespace {
4702
4703 class LoopStrengthReduce : public LoopPass {
4704   /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
4705   /// transformation profitability.
4706   const TargetLowering *const TLI;
4707
4708 public:
4709   static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
4710   explicit LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = 0);
4711
4712 private:
4713   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
4714   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
4715 };
4716
4717 }
4718
4719 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
4720 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4721                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4722 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
4723 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
4724 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
4725 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
4726 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
4727 INITIALIZE_PASS_END(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4728                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4729
4730
4731 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
4732   return new LoopStrengthReduce(TLI);
4733 }
4734
4735 LoopStrengthReduce::LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli)
4736   : LoopPass(ID), TLI(tli) {
4737     initializeLoopStrengthReducePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
4738   }
4739
4740 void LoopStrengthReduce::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
4741   // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
4742   // many analyses if they are around.
4743   AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
4744
4745   AU.addRequired<LoopInfo>();
4746   AU.addPreserved<LoopInfo>();
4747   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4748   AU.addRequired<DominatorTree>();
4749   AU.addPreserved<DominatorTree>();
4750   AU.addRequired<ScalarEvolution>();
4751   AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
4752   // Requiring LoopSimplify a second time here prevents IVUsers from running
4753   // twice, since LoopSimplify was invalidated by running ScalarEvolution.
4754   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4755   AU.addRequired<IVUsers>();
4756   AU.addPreserved<IVUsers>();
4757 }
4758
4759 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager & /*LPM*/) {
4760   bool Changed = false;
4761
4762   // Run the main LSR transformation.
4763   Changed |= LSRInstance(TLI, L, this).getChanged();
4764
4765   // Remove any extra phis created by processing inner loops.
4766   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
4767   if (EnablePhiElim) {
4768     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
4769     SCEVExpander Rewriter(getAnalysis<ScalarEvolution>(), "lsr");
4770 #ifndef NDEBUG
4771     Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
4772 #endif
4773     unsigned numFolded = Rewriter.
4774       replaceCongruentIVs(L, &getAnalysis<DominatorTree>(), DeadInsts, TLI);
4775     if (numFolded) {
4776       Changed = true;
4777       DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
4778       DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
4779     }
4780   }
4781   return Changed;
4782 }