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