0fd64e31dfe9f1ee36ede0d76e3ed5518736c203
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
24 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
25 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
26 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
27 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
28 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
29 #include "llvm/IR/CFG.h"
30 #include "llvm/IR/Constants.h"
31 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/IR/Function.h"
33 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
34 #include "llvm/IR/Instructions.h"
35 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
36 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
37 #include "llvm/Pass.h"
38 #include "llvm/Support/Debug.h"
39 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
41 #include <algorithm>
42 using namespace llvm;
43
44 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
45
46 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
47 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
48 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
49
50 namespace {
51   struct ValueEntry {
52     unsigned Rank;
53     Value *Op;
54     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
55   };
56   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
57     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
58   }
59 }
60
61 #ifndef NDEBUG
62 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
63 ///
64 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
65   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
66   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
67        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
68   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
69     dbgs() << "[ ";
70     Ops[i].Op->printAsOperand(dbgs(), false, M);
71     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
72   }
73 }
74 #endif
75
76 namespace {
77   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
78   /// factor of some product.
79   struct Factor {
80     Value *Base;
81     unsigned Power;
82
83     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
84
85     /// \brief Sort factors by their Base.
86     struct BaseSorter {
87       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
88         return LHS.Base < RHS.Base;
89       }
90     };
91
92     /// \brief Compare factors for equal bases.
93     struct BaseEqual {
94       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
95         return LHS.Base == RHS.Base;
96       }
97     };
98
99     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
100     struct PowerDescendingSorter {
101       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
102         return LHS.Power > RHS.Power;
103       }
104     };
105
106     /// \brief Compare factors for equal powers.
107     struct PowerEqual {
108       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
109         return LHS.Power == RHS.Power;
110       }
111     };
112   };
113   
114   /// Utility class representing a non-constant Xor-operand. We classify
115   /// non-constant Xor-Operands into two categories:
116   ///  C1) The operand is in the form "X & C", where C is a constant and C != ~0
117   ///  C2)
118   ///    C2.1) The operand is in the form of "X | C", where C is a non-zero
119   ///          constant.
120   ///    C2.2) Any operand E which doesn't fall into C1 and C2.1, we view this
121   ///          operand as "E | 0"
122   class XorOpnd {
123   public:
124     XorOpnd(Value *V);
125
126     bool isInvalid() const { return SymbolicPart == nullptr; }
127     bool isOrExpr() const { return isOr; }
128     Value *getValue() const { return OrigVal; }
129     Value *getSymbolicPart() const { return SymbolicPart; }
130     unsigned getSymbolicRank() const { return SymbolicRank; }
131     const APInt &getConstPart() const { return ConstPart; }
132
133     void Invalidate() { SymbolicPart = OrigVal = nullptr; }
134     void setSymbolicRank(unsigned R) { SymbolicRank = R; }
135
136     // Sort the XorOpnd-Pointer in ascending order of symbolic-value-rank.
137     // The purpose is twofold:
138     // 1) Cluster together the operands sharing the same symbolic-value.
139     // 2) Operand having smaller symbolic-value-rank is permuted earlier, which 
140     //   could potentially shorten crital path, and expose more loop-invariants.
141     //   Note that values' rank are basically defined in RPO order (FIXME). 
142     //   So, if Rank(X) < Rank(Y) < Rank(Z), it means X is defined earlier 
143     //   than Y which is defined earlier than Z. Permute "x | 1", "Y & 2",
144     //   "z" in the order of X-Y-Z is better than any other orders.
145     struct PtrSortFunctor {
146       bool operator()(XorOpnd * const &LHS, XorOpnd * const &RHS) {
147         return LHS->getSymbolicRank() < RHS->getSymbolicRank();
148       }
149     };
150   private:
151     Value *OrigVal;
152     Value *SymbolicPart;
153     APInt ConstPart;
154     unsigned SymbolicRank;
155     bool isOr;
156   };
157 }
158
159 namespace {
160   class Reassociate : public FunctionPass {
161     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
162     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
163     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
164     bool MadeChange;
165   public:
166     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
167     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
168       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
169     }
170
171     bool runOnFunction(Function &F) override;
172
173     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
174       AU.setPreservesCFG();
175     }
176   private:
177     void BuildRankMap(Function &F);
178     unsigned getRank(Value *V);
179     void canonicalizeOperands(Instruction *I);
180     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
181     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
182     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
183                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
184     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
185     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
186     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
187                         Value *&Res);
188     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
189                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
190     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
191                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
192     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
193                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
194     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
195     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
196     void EraseInst(Instruction *I);
197     void OptimizeInst(Instruction *I);
198     Instruction *canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I);
199   };
200 }
201
202 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
203   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
204   OrigVal = V;
205   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
206   SymbolicRank = 0;
207
208   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
209             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
210     Value *V0 = I->getOperand(0);
211     Value *V1 = I->getOperand(1);
212     if (isa<ConstantInt>(V0))
213       std::swap(V0, V1);
214
215     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
216       ConstPart = C->getValue();
217       SymbolicPart = V0;
218       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
219       return;
220     }
221   }
222
223   // view the operand as "V | 0"
224   SymbolicPart = V;
225   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
226   isOr = true;
227 }
228
229 char Reassociate::ID = 0;
230 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
231                 "Reassociate expressions", false, false)
232
233 // Public interface to the Reassociate pass
234 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
235
236 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
237 /// opcode and if it only has one use.
238 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
239   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
240       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode &&
241       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
242        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
243     return cast<BinaryOperator>(V);
244   return nullptr;
245 }
246
247 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
248                                         unsigned Opcode2) {
249   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
250       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
251        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2) &&
252       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
253        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
254     return cast<BinaryOperator>(V);
255   return nullptr;
256 }
257
258 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
259   switch (I->getOpcode()) {
260   case Instruction::PHI:
261   case Instruction::LandingPad:
262   case Instruction::Alloca:
263   case Instruction::Load:
264   case Instruction::Invoke:
265   case Instruction::UDiv:
266   case Instruction::SDiv:
267   case Instruction::FDiv:
268   case Instruction::URem:
269   case Instruction::SRem:
270   case Instruction::FRem:
271     return true;
272   case Instruction::Call:
273     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
274   default:
275     return false;
276   }
277 }
278
279 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
280   unsigned i = 2;
281
282   // Assign distinct ranks to function arguments.
283   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I) {
284     ValueRankMap[&*I] = ++i;
285     DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << I->getName() << "] = " << i << "\n");
286   }
287
288   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
289   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
290          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
291     BasicBlock *BB = *I;
292     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
293
294     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
295     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
296     // all different in the block.
297     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
298       if (isUnmovableInstruction(I))
299         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
300   }
301 }
302
303 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
304   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
305   if (!I) {
306     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
307     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
308   }
309
310   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
311     return Rank;    // Rank already known?
312
313   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
314   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
315   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
316   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
317   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
318   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
319        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
320     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
321
322   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
323   // assures us that X and ~X will have the same rank.
324   Type *Ty = V->getType();
325   if ((!Ty->isIntegerTy() && !Ty->isFloatingPointTy()) ||
326       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
327        !BinaryOperator::isFNeg(I)))
328     ++Rank;
329
330   DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank << "\n");
331
332   return ValueRankMap[I] = Rank;
333 }
334
335 // Canonicalize constants to RHS.  Otherwise, sort the operands by rank.
336 void Reassociate::canonicalizeOperands(Instruction *I) {
337   assert(isa<BinaryOperator>(I) && "Expected binary operator.");
338   assert(I->isCommutative() && "Expected commutative operator.");
339
340   Value *LHS = I->getOperand(0);
341   Value *RHS = I->getOperand(1);
342   unsigned LHSRank = getRank(LHS);
343   unsigned RHSRank = getRank(RHS);
344
345   if (isa<Constant>(RHS))
346     return;
347
348   if (isa<Constant>(LHS) || RHSRank < LHSRank)
349     cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
350 }
351
352 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
353                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
354   if (S1->getType()->isIntegerTy())
355     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
356   else {
357     BinaryOperator *Res =
358         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
359     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
360     return Res;
361   }
362 }
363
364 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
365                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
366   if (S1->getType()->isIntegerTy())
367     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
368   else {
369     BinaryOperator *Res =
370       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
371     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
372     return Res;
373   }
374 }
375
376 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
377                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
378   if (S1->getType()->isIntegerTy())
379     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
380   else {
381     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
382     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
383     return Res;
384   }
385 }
386
387 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
388 ///
389 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
390   Type *Ty = Neg->getType();
391   Constant *NegOne = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)
392                                        : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
393
394   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
395   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
396   Res->takeName(Neg);
397   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
398   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
399   return Res;
400 }
401
402 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
403 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
404 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
405 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
406 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
407 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
408   if (Bitwidth < 3)
409     return Bitwidth - 1;
410   return Bitwidth - 2;
411 }
412
413 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
414 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
415 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
416 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
417 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
418 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
419 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
420 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
421   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
422   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
423   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
424   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
425   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
426   // weight back into range if wrapping would be wrong.
427
428   // If RHS is zero then the weight didn't change.
429   if (RHS.isMinValue())
430     return;
431   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
432   if (LHS.isMinValue()) {
433     LHS = RHS;
434     return;
435   }
436   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
437
438   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
439     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
440     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
441     // not a problem.
442     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
443     return; // Return a weight of 1.
444   }
445   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
446     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
447     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
448     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
449     return;
450   }
451   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
452     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
453     LHS += RHS;
454     return;
455   }
456
457   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
458          "Unknown associative operation!");
459   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
460   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
461   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
462   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
463   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
464   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
465   // which by a happy accident means that they can always be represented using
466   // Bitwidth bits.
467   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
468   // the Carmichael number).
469   if (Bitwidth > 3) {
470     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
471     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
472     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
473     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
474     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
475     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
476     LHS += RHS;
477     while (LHS.uge(Threshold))
478       LHS -= CM;
479   } else {
480     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
481     // a larger type.
482     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
483     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
484     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
485            "Weights not reduced!");
486     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
487     while (Total >= Threshold)
488       Total -= CM;
489     LHS = Total;
490   }
491 }
492
493 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
494
495 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
496 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
497 /// original expression is the same as
498 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
499 /// op
500 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
501 /// op
502 ///   ...
503 /// op
504 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
505 ///
506 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
507 ///
508 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
509 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
510 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
511 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
512 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
513 ///
514 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
515 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
516 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
517 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
518 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
519 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
520 /// use is a non-leaf node of the expression.
521 ///
522 /// For example:
523 ///           expression graph        node names
524 ///
525 ///                     +        |        I
526 ///                    / \       |
527 ///                   +   +      |      A,  B
528 ///                  / \ / \     |
529 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
530 ///                / \ / \ / \   |
531 ///                   +   *      |      F,  G
532 ///
533 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
534 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
535 ///
536 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
537 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
538 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
539 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
540 ///
541 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
542 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
543 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
544 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
545 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
546 /// made a change by returning 'true'.
547 ///
548 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
549 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
550 ///
551 ///                     +        |        I
552 ///                    / \       |
553 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
554 ///                  / \   \     |
555 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
556 ///                / \ / \ / \   |
557 ///                   +   *      |      F,  G
558 ///
559 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
560 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
561 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
562 /// which requires passing through a phi node.
563 ///
564 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
565 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
566 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
567 /// type and thus make the expression bigger.
568
569 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
570                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
571   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
572   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
573   unsigned Opcode = I->getOpcode();
574   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
575          "Expected an associative and commutative operation!");
576
577   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
578   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
579   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
580   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
581   // while A has weight two.
582
583   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
584   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
585   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
586   // ways to get to it.
587   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
588   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
589   bool Changed = false;
590
591   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
592   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
593   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
594   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
595   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
596   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
597   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
598   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
599   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
600   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
601   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
602   // are explored.
603
604   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
605   // paths to each leaf seen so far.
606   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
607   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
608   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
609
610 #ifndef NDEBUG
611   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
612 #endif
613   while (!Worklist.empty()) {
614     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
615     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
616
617     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
618       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
619       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
620       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
621       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
622
623       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
624       // add its operands to the expression.
625       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
626         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
627         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
628         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
629         continue;
630       }
631
632       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
633       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
634       if (It == Leaves.end()) {
635         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
636         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
637         if (!Op->hasOneUse()) {
638           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
639           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
640           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
641           LeafOrder.push_back(Op);
642           Leaves[Op] = Weight;
643           continue;
644         }
645         // No uses outside the expression, try morphing it.
646       } else if (It != Leaves.end()) {
647         // Already in the leaf map.
648         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
649
650         // Update the number of paths to the leaf.
651         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
652
653 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
654         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
655         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
656         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
657         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
658         Changed = true;
659
660         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
661         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
662         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
663         // its operands to the expression.
664         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
665           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
666           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
667           Leaves.erase(It);
668           continue;
669         }
670 #endif
671
672         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
673         // then it is not safe to modify the value.
674         if (!Op->hasOneUse())
675           continue;
676
677         // No uses outside the expression, try morphing it.
678         Weight = It->second;
679         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
680       }
681
682       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
683       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
684       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
685       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
686       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
687               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
688               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
689                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
690              "Should have been handled above!");
691       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
692
693       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
694       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
695       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
696         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
697             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
698           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
699           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
700           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
701           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
702           Changed = true;
703           continue;
704         }
705
706       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
707       // a leaf.
708       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
709       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
710       LeafOrder.push_back(Op);
711       Leaves[Op] = Weight;
712     }
713   }
714
715   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
716   // form of the expression.
717   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
718     Value *V = LeafOrder[i];
719     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
720     if (It == Leaves.end())
721       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
722       continue;
723     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
724     APInt Weight = It->second;
725     if (Weight.isMinValue())
726       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
727       continue;
728     // Ensure the leaf is only output once.
729     It->second = 0;
730     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
731   }
732
733   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
734   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
735   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
736   if (Ops.empty()) {
737     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
738     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
739     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
740   }
741
742   return Changed;
743 }
744
745 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
746 // linearized and optimized, emit them in-order.
747 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
748                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
749   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
750
751   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
752   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
753   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
754   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
755   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
756   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
757   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
758   // nsw flags.
759
760   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
761   /// the new expression into.
762   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
763   unsigned Opcode = I->getOpcode();
764   BinaryOperator *Op = I;
765
766   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
767   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
768   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
769   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
770   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
771   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
772   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
773   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
774   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
775   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
776   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
777   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
778     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
779
780   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
781   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
782   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
783   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
784   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
785     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
786     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
787     // a subexpression.
788     if (i+2 == Ops.size()) {
789       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
790       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
791       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
792       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
793
794       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
795         // Nothing changed, leave it alone.
796         break;
797
798       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
799         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
800         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
801         Op->swapOperands();
802         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
803         MadeChange = true;
804         ++NumChanged;
805         break;
806       }
807
808       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
809       // the old operands with the new ones.
810       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
811       if (NewLHS != OldLHS) {
812         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
813         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
814           NodesToRewrite.push_back(BO);
815         Op->setOperand(0, NewLHS);
816       }
817       if (NewRHS != OldRHS) {
818         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
819         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
820           NodesToRewrite.push_back(BO);
821         Op->setOperand(1, NewRHS);
822       }
823       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
824
825       ExpressionChanged = Op;
826       MadeChange = true;
827       ++NumChanged;
828
829       break;
830     }
831
832     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
833     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
834     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
835     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
836       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
837       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
838         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
839         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
840         Op->swapOperands();
841       } else {
842         // Overwrite with the new right-hand side.
843         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
844         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
845           NodesToRewrite.push_back(BO);
846         Op->setOperand(1, NewRHS);
847         ExpressionChanged = Op;
848       }
849       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
850       MadeChange = true;
851       ++NumChanged;
852     }
853
854     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
855     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
856     // into it.
857     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
858     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
859       Op = BO;
860       continue;
861     }
862
863     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
864     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
865     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
866     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
867     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
868     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
869     // stupid, create a new node if there are none left.
870     BinaryOperator *NewOp;
871     if (NodesToRewrite.empty()) {
872       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
873       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
874                                      Undef, Undef, "", I);
875       if (NewOp->getType()->isFloatingPointTy())
876         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
877     } else {
878       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
879     }
880
881     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
882     Op->setOperand(0, NewOp);
883     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
884     ExpressionChanged = Op;
885     MadeChange = true;
886     ++NumChanged;
887     Op = NewOp;
888   }
889
890   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
891   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
892   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
893   // expression tree is dominated by all of Ops.
894   if (ExpressionChanged)
895     do {
896       // Preserve FastMathFlags.
897       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
898         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
899         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
900         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
901       } else
902         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
903
904       if (ExpressionChanged == I)
905         break;
906       ExpressionChanged->moveBefore(I);
907       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
908     } while (1);
909
910   // Throw away any left over nodes from the original expression.
911   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
912     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
913 }
914
915 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
916 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
917 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
918 /// that should be processed next by the reassociation pass.
919 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
920   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
921     if (C->getType()->isFPOrFPVectorTy()) {
922       return ConstantExpr::getFNeg(C);
923     }
924     return ConstantExpr::getNeg(C);
925   }
926
927
928   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
929   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
930   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
931   // this means that we turn this:
932   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
933   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
934   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
935   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
936   //
937   if (BinaryOperator *I =
938           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
939     // Push the negates through the add.
940     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
941     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
942
943     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
944     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
945     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
946     // instruction we are about to insert after them.
947     //
948     I->moveBefore(BI);
949     I->setName(I->getName()+".neg");
950     return I;
951   }
952
953   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
954   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
955   for (User *U : V->users()) {
956     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
957       continue;
958
959     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
960     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
961     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
962     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
963     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
964
965     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
966     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
967       continue;
968
969     BasicBlock::iterator InsertPt;
970     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
971       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
972         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
973       } else {
974         InsertPt = InstInput;
975         ++InsertPt;
976       }
977       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
978     } else {
979       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
980     }
981     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
982     return TheNeg;
983   }
984
985   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
986   // negation.
987   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
988 }
989
990 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
991 /// X-Y into (X + -Y).
992 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
993   // If this is a negation, we can't split it up!
994   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
995     return false;
996
997   // Don't breakup X - undef.
998   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
999     return false;
1000
1001   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
1002   // subtract or if this is only used by one.
1003   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
1004   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1005       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1006     return true;
1007   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
1008   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1009       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1010     return true;
1011   Value *VB = Sub->user_back();
1012   if (Sub->hasOneUse() &&
1013       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1014        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
1015     return true;
1016
1017   return false;
1018 }
1019
1020 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
1021 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
1022 /// reassociation.
1023 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1024   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1025   // instructions to be commuted with other add instructions.
1026   //
1027   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1028   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1029   //
1030   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1031   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1032   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1033   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1034   New->takeName(Sub);
1035
1036   // Everyone now refers to the add instruction.
1037   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1038   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1039
1040   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1041   return New;
1042 }
1043
1044 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
1045 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
1046 /// reassociation.
1047 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1048   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1049   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1050
1051   BinaryOperator *Mul =
1052     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1053   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1054   Mul->takeName(Shl);
1055
1056   // Everyone now refers to the mul instruction.
1057   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1058   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1059
1060   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1061   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1062   // handling.
1063   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1064   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1065   if (NSW && NUW)
1066     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1067   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1068   return Mul;
1069 }
1070
1071 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
1072 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
1073 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
1074 /// same rank.
1075 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1076                                   Value *X) {
1077   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1078   unsigned e = Ops.size();
1079   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1080     if (Ops[j].Op == X)
1081       return j;
1082     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1083       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1084         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1085           return j;
1086   }
1087   // Scan backwards.
1088   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1089     if (Ops[j].Op == X)
1090       return j;
1091     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1092       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1093         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1094           return j;
1095   }
1096   return i;
1097 }
1098
1099 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1100 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1101 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1102                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1103   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1104
1105   Value *V1 = Ops.back();
1106   Ops.pop_back();
1107   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1108   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1109 }
1110
1111 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
1112 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
1113 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1114 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1115   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1116   if (!BO)
1117     return nullptr;
1118
1119   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1120   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1121   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1122   Factors.reserve(Tree.size());
1123   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1124     RepeatedValue E = Tree[i];
1125     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1126                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1127   }
1128
1129   bool FoundFactor = false;
1130   bool NeedsNegate = false;
1131   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1132     if (Factors[i].Op == Factor) {
1133       FoundFactor = true;
1134       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1135       break;
1136     }
1137
1138     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1139     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1140       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1141         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1142           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1143           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1144           break;
1145         }
1146     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1147       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1148         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1149         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1150         F2.changeSign();
1151         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1152           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1153           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1154           break;
1155         }
1156       }
1157     }
1158   }
1159
1160   if (!FoundFactor) {
1161     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1162     RewriteExprTree(BO, Factors);
1163     return nullptr;
1164   }
1165
1166   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1167
1168   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1169   // remaining operand.
1170   if (Factors.size() == 1) {
1171     RedoInsts.insert(BO);
1172     V = Factors[0].Op;
1173   } else {
1174     RewriteExprTree(BO, Factors);
1175     V = BO;
1176   }
1177
1178   if (NeedsNegate)
1179     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1180
1181   return V;
1182 }
1183
1184 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1185 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1186 ///
1187 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1188 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1189                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1190                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1191   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1192   if (!BO) {
1193     Factors.push_back(V);
1194     return;
1195   }
1196
1197   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1198   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1199   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1200 }
1201
1202 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1203 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1204 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1205 /// necessary.
1206 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1207                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1208   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1209   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1210   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1211     // First, check for X and ~X in the operand list.
1212     assert(i < Ops.size());
1213     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1214       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1215       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1216       if (FoundX != i) {
1217         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1218           return Constant::getNullValue(X->getType());
1219
1220         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1221           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1222       }
1223     }
1224
1225     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1226     // each other, due to our sorting criteria.
1227     assert(i < Ops.size());
1228     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1229       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1230         // Drop duplicate values for And and Or.
1231         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1232         --i; --e;
1233         ++NumAnnihil;
1234         continue;
1235       }
1236
1237       // Drop pairs of values for Xor.
1238       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1239       if (e == 2)
1240         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1241
1242       // Y ^ X^X -> Y
1243       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1244       i -= 1; e -= 2;
1245       ++NumAnnihil;
1246     }
1247   }
1248   return nullptr;
1249 }
1250
1251 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1252 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1253 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1254 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1255 /// be returned.
1256 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1257                              const APInt &ConstOpnd) {
1258   if (ConstOpnd != 0) {
1259     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1260       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1261       Instruction *I;
1262       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1263                                     "and.ra", InsertBefore);
1264       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1265       return I;
1266     }
1267     return Opnd;
1268   }
1269   return nullptr;
1270 }
1271
1272 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1273 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1274 //
1275 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1276 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1277 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1278 //  
1279 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1280                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1281   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1282   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1283   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1284   // It is useful only when c1 == c2.
1285   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1286     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1287       return false;
1288
1289     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1290     if (C1 != ConstOpnd)
1291       return false;
1292
1293     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1294     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1295     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1296     ConstOpnd ^= C1;
1297
1298     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1299       RedoInsts.insert(T);
1300     return true;
1301   }
1302   return false;
1303 }
1304
1305                            
1306 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1307 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1308 // symbolic value. 
1309 // 
1310 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1311 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1312 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1313 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1314 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1315                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1316   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1317   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1318     return false;
1319
1320   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1321   int DeadInstNum = 1;
1322   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1323     DeadInstNum++;
1324   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1325     DeadInstNum++;
1326
1327   // Xor-Rule 2:
1328   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1329   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1330   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1331   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1332   //
1333   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1334     if (Opnd2->isOrExpr())
1335       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1336
1337     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1338     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1339     APInt C3((~C1) ^ C2);
1340
1341     // Do not increase code size!
1342     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1343       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1344       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1345         return false;
1346     }
1347
1348     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1349     ConstOpnd ^= C1;
1350
1351   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1352     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1353     //
1354     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1355     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1356     APInt C3 = C1 ^ C2;
1357     
1358     // Do not increase code size
1359     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1360       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1361       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1362         return false;
1363     }
1364
1365     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1366     ConstOpnd ^= C3;
1367   } else {
1368     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1369     //
1370     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1371     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1372     APInt C3 = C1 ^ C2;
1373     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1374   }
1375
1376   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1377   // as dead code.
1378   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1379     RedoInsts.insert(T);
1380   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1381     RedoInsts.insert(T);
1382
1383   return true;
1384 }
1385
1386 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1387 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1388 /// necessary.
1389 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1390                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1391   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1392     return V;
1393       
1394   if (Ops.size() == 1)
1395     return nullptr;
1396
1397   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1398   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1399   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1400   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1401
1402   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1403   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1404     Value *V = Ops[i].Op;
1405     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1406       XorOpnd O(V);
1407       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1408       Opnds.push_back(O);
1409     } else
1410       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1411   }
1412
1413   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1414   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1415   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1416   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1417   //  when new elements are added to the vector.
1418   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1419     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1420
1421   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1422   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1423   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1424   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1425   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1426
1427   // Step 3: Combine adjacent operands
1428   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1429   bool Changed = false;
1430   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1431     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1432     // The combined value
1433     Value *CV;
1434
1435     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1436     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1437       Changed = true;
1438       if (CV)
1439         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1440       else {
1441         CurrOpnd->Invalidate();
1442         continue;
1443       }
1444     }
1445
1446     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1447       PrevOpnd = CurrOpnd;
1448       continue;
1449     }
1450
1451     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1452     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1453     //    
1454     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1455       // Remove previous operand
1456       PrevOpnd->Invalidate();
1457       if (CV) {
1458         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1459         PrevOpnd = CurrOpnd;
1460       } else {
1461         CurrOpnd->Invalidate();
1462         PrevOpnd = nullptr;
1463       }
1464       Changed = true;
1465     }
1466   }
1467
1468   // Step 4: Reassemble the Ops
1469   if (Changed) {
1470     Ops.clear();
1471     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1472       XorOpnd &O = Opnds[i];
1473       if (O.isInvalid())
1474         continue;
1475       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1476       Ops.push_back(VE);
1477     }
1478     if (ConstOpnd != 0) {
1479       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1480       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1481       Ops.push_back(VE);
1482     }
1483     int Sz = Ops.size();
1484     if (Sz == 1)
1485       return Ops.back().Op;
1486     else if (Sz == 0) {
1487       assert(ConstOpnd == 0);
1488       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1489     }
1490   }
1491
1492   return nullptr;
1493 }
1494
1495 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1496 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1497 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1498 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1499                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1500   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1501   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1502   // scan for any
1503   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1504
1505   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1506     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1507     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1508     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1509     // that these need to be next to each other in the vector.
1510     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1511       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1512       unsigned NumFound = 0;
1513       do {
1514         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1515         ++NumFound;
1516       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1517
1518       DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1519       ++NumFactor;
1520
1521       // Insert a new multiply.
1522       Type *Ty = TheOp->getType();
1523       Constant *C = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::get(Ty, NumFound)
1524                                       : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1525       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1526
1527       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1528       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1529       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1530       RedoInsts.insert(Mul);
1531
1532       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1533       if (Ops.empty())
1534         return Mul;
1535
1536       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1537       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1538       // things being added by this operation.
1539       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1540
1541       --i;
1542       e = Ops.size();
1543       continue;
1544     }
1545
1546     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1547     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1548         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1549       continue;
1550
1551     Value *X = nullptr;
1552     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1553       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1554     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1555       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1556
1557     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1558     if (FoundX == i)
1559       continue;
1560
1561     // Remove X and -X from the operand list.
1562     if (Ops.size() == 2 &&
1563         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1564       return Constant::getNullValue(X->getType());
1565
1566     // Remove X and ~X from the operand list.
1567     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1568       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1569
1570     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1571     if (i < FoundX)
1572       --FoundX;
1573     else
1574       --i;   // Need to back up an extra one.
1575     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1576     ++NumAnnihil;
1577     --i;     // Revisit element.
1578     e -= 2;  // Removed two elements.
1579
1580     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1581     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1582       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1583       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1584       e += 1;
1585     }
1586   }
1587
1588   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1589   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1590   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1591   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1592   // for any ADD operands that are MULs.
1593   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1594
1595   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1596   // where they are actually the same multiply.
1597   unsigned MaxOcc = 0;
1598   Value *MaxOccVal = nullptr;
1599   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1600     BinaryOperator *BOp =
1601         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1602     if (!BOp)
1603       continue;
1604
1605     // Compute all of the factors of this added value.
1606     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1607     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1608     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1609
1610     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1611     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1612     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1613       Value *Factor = Factors[i];
1614       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1615         continue;
1616
1617       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1618       if (Occ > MaxOcc) {
1619         MaxOcc = Occ;
1620         MaxOccVal = Factor;
1621       }
1622
1623       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1624       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1625       // cannot be positivified.
1626       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1627         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1628           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1629           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1630                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1631           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1632           if (Occ > MaxOcc) {
1633             MaxOcc = Occ;
1634             MaxOccVal = Factor;
1635           }
1636         }
1637       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1638         if (CF->isNegative()) {
1639           APFloat F(CF->getValueAPF());
1640           F.changeSign();
1641           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1642           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1643                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1644           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1645           if (Occ > MaxOcc) {
1646             MaxOcc = Occ;
1647             MaxOccVal = Factor;
1648           }
1649         }
1650       }
1651     }
1652   }
1653
1654   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1655   if (MaxOcc > 1) {
1656     DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1657     ++NumFactor;
1658
1659     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1660     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1661     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1662     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1663     Instruction *DummyInst =
1664         I->getType()->isIntegerTy()
1665             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1666             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1667
1668     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1669     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1670       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1671       BinaryOperator *BOp =
1672           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1673       if (!BOp)
1674         continue;
1675
1676       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1677         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1678         // one fell swoop.
1679         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1680           --j;
1681           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1682             NewMulOps.push_back(V);
1683             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1684           }
1685         }
1686         --i;
1687       }
1688     }
1689
1690     // No need for extra uses anymore.
1691     delete DummyInst;
1692
1693     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1694     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1695
1696     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1697     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1698     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1699     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1700     (void)NumAddedValues;
1701     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1702       RedoInsts.insert(VI);
1703
1704     // Create the multiply.
1705     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1706
1707     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1708     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1709     RedoInsts.insert(V2);
1710
1711     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1712     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1713     if (Ops.empty())
1714       return V2;
1715
1716     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1717     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1718     // things being added by this operation.
1719     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1720   }
1721
1722   return nullptr;
1723 }
1724
1725 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1726 ///
1727 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1728 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1729 /// the order of descending power.
1730 ///
1731 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1732 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1733 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1734 ///
1735 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1736 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1737                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1738   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1739   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1740   unsigned FactorPowerSum = 0;
1741   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1742     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1743
1744     // Count the number of occurrences of this value.
1745     unsigned Count = 1;
1746     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1747       ++Count;
1748     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1749     if (Count > 1)
1750       FactorPowerSum += Count;
1751   }
1752
1753   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1754   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1755   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1756   // trying to simplify already minimal formations.
1757   if (FactorPowerSum < 4)
1758     return false;
1759
1760   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1761   FactorPowerSum = 0;
1762   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1763     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1764
1765     // Count the number of occurrences of this value.
1766     unsigned Count = 1;
1767     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1768       ++Count;
1769     if (Count == 1)
1770       continue;
1771     // Move an even number of occurrences to Factors.
1772     Count &= ~1U;
1773     Idx -= Count;
1774     FactorPowerSum += Count;
1775     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1776     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1777   }
1778
1779   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1780   // below our mininum of '4'.
1781   assert(FactorPowerSum >= 4);
1782
1783   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1784   return true;
1785 }
1786
1787 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1788 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1789                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1790   if (Ops.size() == 1)
1791     return Ops.back();
1792
1793   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1794   do {
1795     if (LHS->getType()->isIntegerTy())
1796       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1797     else
1798       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1799   } while (!Ops.empty());
1800
1801   return LHS;
1802 }
1803
1804 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1805 ///
1806 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1807 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1808 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1809 /// value.
1810 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1811                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1812   assert(Factors[0].Power);
1813   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1814   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1815        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1816     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1817       LastIdx = Idx;
1818       continue;
1819     }
1820
1821     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1822     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1823     // for that.
1824     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1825     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1826     do {
1827       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1828       ++Idx;
1829     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1830
1831     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1832     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1833     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1834     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1835       RedoInsts.insert(MI);
1836
1837     LastIdx = Idx;
1838   }
1839   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1840   // base.
1841   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1842                             Factor::PowerEqual()),
1843                 Factors.end());
1844
1845   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1846   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1847   // expression.
1848   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1849     if (Factors[Idx].Power & 1)
1850       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1851     Factors[Idx].Power >>= 1;
1852   }
1853   if (Factors[0].Power) {
1854     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1855     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1856     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1857   }
1858   if (OuterProduct.size() == 1)
1859     return OuterProduct.front();
1860
1861   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1862   return V;
1863 }
1864
1865 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1866                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1867   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1868   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1869   if (Ops.size() < 4)
1870     return nullptr;
1871
1872   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1873   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1874   // re-use.
1875   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1876   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1877     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1878
1879   IRBuilder<> Builder(I);
1880   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1881   if (Ops.empty())
1882     return V;
1883
1884   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1885   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1886   return nullptr;
1887 }
1888
1889 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1890                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1891   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1892   // Start by folding any constants that we found.
1893   Constant *Cst = nullptr;
1894   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1895   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1896     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1897     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1898   }
1899   // If there was nothing but constants then we are done.
1900   if (Ops.empty())
1901     return Cst;
1902
1903   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1904   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1905   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1906   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1907     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1908       return Cst;
1909     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1910   }
1911
1912   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1913
1914   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1915   // argument list here.
1916   unsigned NumOps = Ops.size();
1917   switch (Opcode) {
1918   default: break;
1919   case Instruction::And:
1920   case Instruction::Or:
1921     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1922       return Result;
1923     break;
1924
1925   case Instruction::Xor:
1926     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1927       return Result;
1928     break;
1929
1930   case Instruction::Add:
1931   case Instruction::FAdd:
1932     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1933       return Result;
1934     break;
1935
1936   case Instruction::Mul:
1937   case Instruction::FMul:
1938     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1939       return Result;
1940     break;
1941   }
1942
1943   if (Ops.size() != NumOps)
1944     return OptimizeExpression(I, Ops);
1945   return nullptr;
1946 }
1947
1948 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1949 /// work list.
1950 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1951   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1952   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1953   // Erase the dead instruction.
1954   ValueRankMap.erase(I);
1955   RedoInsts.remove(I);
1956   I->eraseFromParent();
1957   // Optimize its operands.
1958   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1959   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1960     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1961       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1962       // and add that since that's where optimization actually happens.
1963       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1964       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1965              Visited.insert(Op).second)
1966         Op = Op->user_back();
1967       RedoInsts.insert(Op);
1968     }
1969 }
1970
1971 // Canonicalize expressions of the following form:
1972 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1973 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1974 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1975   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1976     return nullptr;
1977
1978   // Must be a mul, fmul, or fdiv instruction.
1979   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1980   if (Opcode != Instruction::Mul && Opcode != Instruction::FMul &&
1981       Opcode != Instruction::FDiv)
1982     return nullptr;
1983
1984   // Must have at least one constant operand.
1985   Constant *C0 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(0));
1986   Constant *C1 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1));
1987   if (!C0 && !C1)
1988     return nullptr;
1989
1990   // Must be a negative ConstantInt or ConstantFP.
1991   Constant *C = C0 ? C0 : C1;
1992   unsigned ConstIdx = C0 ? 0 : 1;
1993   if (auto *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C)) {
1994     if (!CI->isNegative())
1995       return nullptr;
1996   } else if (auto *CF = dyn_cast<ConstantFP>(C)) {
1997     if (!CF->isNegative())
1998       return nullptr;
1999   } else
2000     return nullptr;
2001
2002   // User must be a binary operator with one or more uses.
2003   Instruction *User = I->user_back();
2004   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->getNumUses())
2005     return nullptr;
2006
2007   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
2008   if (UserOpcode != Instruction::Add && UserOpcode != Instruction::FAdd &&
2009       UserOpcode != Instruction::Sub && UserOpcode != Instruction::FSub)
2010     return nullptr;
2011
2012   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
2013   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
2014   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
2015     return nullptr;
2016
2017   // Change the sign of the constant.
2018   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C))
2019     I->setOperand(ConstIdx, ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue()));
2020   else {
2021     ConstantFP *CF = cast<ConstantFP>(C);
2022     APFloat Val = CF->getValueAPF();
2023     Val.changeSign();
2024     I->setOperand(ConstIdx, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2025   }
2026
2027   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2028   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2029   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2030     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2031
2032   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2033   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2034   BinaryOperator *NI;
2035   switch(UserOpcode) {
2036   default:
2037     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2038   case Instruction::Add:
2039     NI = BinaryOperator::CreateSub(Op0, Op1);
2040     break;
2041   case Instruction::Sub:
2042     NI = BinaryOperator::CreateAdd(Op0, Op1);
2043     break;
2044   case Instruction::FAdd:
2045     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2046     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2047     break;
2048   case Instruction::FSub:
2049     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2050     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2051     break;
2052   }
2053
2054   NI->insertBefore(User);
2055   NI->setName(User->getName());
2056   User->replaceAllUsesWith(NI);
2057   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2058   RedoInsts.insert(I);
2059   MadeChange = true;
2060   return NI;
2061 }
2062
2063 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2064 /// instructions is not allowed.
2065 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2066   // Only consider operations that we understand.
2067   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2068     return;
2069
2070   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2071     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2072     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2073     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2074         (I->hasOneUse() &&
2075          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2076           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2077       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2078       RedoInsts.insert(I);
2079       MadeChange = true;
2080       I = NI;
2081     }
2082
2083   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2084   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2085     I = Res;
2086
2087   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2088   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2089   // transformations simpler.
2090   if (I->isCommutative())
2091     canonicalizeOperands(I);
2092
2093   // Don't optimize vector instructions.
2094   if (I->getType()->isVectorTy())
2095     return;
2096
2097   // Don't optimize floating point instructions that don't have unsafe algebra.
2098   if (I->getType()->isFloatingPointTy() && !I->hasUnsafeAlgebra())
2099     return;
2100
2101   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2102   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2103   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2104   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2105   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2106   // optimized for the most likely conditions.
2107   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2108     return;
2109
2110   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2111   // see if we can convert it to X+-Y.
2112   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2113     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2114       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2115       RedoInsts.insert(I);
2116       MadeChange = true;
2117       I = NI;
2118     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2119       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2120       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2121       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2122           (!I->hasOneUse() ||
2123            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2124         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2125         RedoInsts.insert(I);
2126         MadeChange = true;
2127         I = NI;
2128       }
2129     }
2130   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2131     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2132       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2133       RedoInsts.insert(I);
2134       MadeChange = true;
2135       I = NI;
2136     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2137       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2138       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2139       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2140           (!I->hasOneUse() ||
2141            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2142         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2143         RedoInsts.insert(I);
2144         MadeChange = true;
2145         I = NI;
2146       }
2147     }
2148   }
2149
2150   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2151   if (!I->isAssociative()) return;
2152   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2153
2154   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2155   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2156   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2157   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2158     return;
2159
2160   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2161   // until we process the subtract.
2162   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2163       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2164     return;
2165   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2166       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2167     return;
2168
2169   ReassociateExpression(BO);
2170 }
2171
2172 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2173   assert(!I->getType()->isVectorTy() &&
2174          "Reassociation of vector instructions is not supported.");
2175
2176   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2177   // operand information.
2178   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2179   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2180   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2181   Ops.reserve(Tree.size());
2182   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2183     RepeatedValue E = Tree[i];
2184     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2185                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2186   }
2187
2188   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2189
2190   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2191   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2192   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2193   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2194   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2195   // the vector.
2196   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2197
2198   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
2199   // sorted form, optimize it globally if possible.
2200   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2201     if (V == I)
2202       // Self-referential expression in unreachable code.
2203       return;
2204     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2205     // eliminate it.
2206     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2207     I->replaceAllUsesWith(V);
2208     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2209       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2210     RedoInsts.insert(I);
2211     ++NumAnnihil;
2212     return;
2213   }
2214
2215   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2216   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2217   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2218   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2219   if (I->hasOneUse()) {
2220     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2221         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2222         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2223         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2224       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2225       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2226     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2227                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2228                    Instruction::FAdd &&
2229                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2230                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2231       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2232       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2233     }
2234   }
2235
2236   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2237
2238   if (Ops.size() == 1) {
2239     if (Ops[0].Op == I)
2240       // Self-referential expression in unreachable code.
2241       return;
2242
2243     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2244     // eliminate it.
2245     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2246     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2247       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2248     RedoInsts.insert(I);
2249     return;
2250   }
2251
2252   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2253   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2254   RewriteExprTree(I, Ops);
2255 }
2256
2257 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2258   if (skipOptnoneFunction(F))
2259     return false;
2260
2261   // Calculate the rank map for F
2262   BuildRankMap(F);
2263
2264   MadeChange = false;
2265   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2266     // Optimize every instruction in the basic block.
2267     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2268       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2269         EraseInst(II++);
2270       } else {
2271         OptimizeInst(II);
2272         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2273         ++II;
2274       }
2275
2276     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2277     while (!RedoInsts.empty()) {
2278       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2279       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2280         EraseInst(I);
2281       else
2282         OptimizeInst(I);
2283     }
2284   }
2285
2286   // We are done with the rank map.
2287   RankMap.clear();
2288   ValueRankMap.clear();
2289
2290   return MadeChange;
2291 }