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