4e022556f9cc2e5cdf95c0b3e78cabd398885045
[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 (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V))
921     return ConstantExpr::getFNeg(C);
922   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
923     return ConstantExpr::getNeg(C);
924
925   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
926   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
927   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
928   // this means that we turn this:
929   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
930   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
931   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
932   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
933   //
934   if (BinaryOperator *I =
935           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
936     // Push the negates through the add.
937     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
938     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
939
940     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
941     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
942     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
943     // instruction we are about to insert after them.
944     //
945     I->moveBefore(BI);
946     I->setName(I->getName()+".neg");
947     return I;
948   }
949
950   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
951   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
952   for (User *U : V->users()) {
953     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
954       continue;
955
956     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
957     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
958     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
959     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
960     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
961
962     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
963     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
964       continue;
965
966     BasicBlock::iterator InsertPt;
967     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
968       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
969         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
970       } else {
971         InsertPt = InstInput;
972         ++InsertPt;
973       }
974       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
975     } else {
976       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
977     }
978     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
979     return TheNeg;
980   }
981
982   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
983   // negation.
984   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
985 }
986
987 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
988 /// X-Y into (X + -Y).
989 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
990   // If this is a negation, we can't split it up!
991   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
992     return false;
993
994   // Don't breakup X - undef.
995   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
996     return false;
997
998   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
999   // subtract or if this is only used by one.
1000   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
1001   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1002       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1003     return true;
1004   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
1005   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1006       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1007     return true;
1008   Value *VB = Sub->user_back();
1009   if (Sub->hasOneUse() &&
1010       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1011        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
1012     return true;
1013
1014   return false;
1015 }
1016
1017 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
1018 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
1019 /// reassociation.
1020 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1021   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1022   // instructions to be commuted with other add instructions.
1023   //
1024   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1025   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1026   //
1027   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1028   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1029   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1030   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1031   New->takeName(Sub);
1032
1033   // Everyone now refers to the add instruction.
1034   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1035   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1036
1037   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1038   return New;
1039 }
1040
1041 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
1042 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
1043 /// reassociation.
1044 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1045   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1046   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1047
1048   BinaryOperator *Mul =
1049     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1050   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1051   Mul->takeName(Shl);
1052
1053   // Everyone now refers to the mul instruction.
1054   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1055   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1056
1057   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1058   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1059   // handling.
1060   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1061   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1062   if (NSW && NUW)
1063     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1064   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1065   return Mul;
1066 }
1067
1068 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
1069 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
1070 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
1071 /// same rank.
1072 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1073                                   Value *X) {
1074   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1075   unsigned e = Ops.size();
1076   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1077     if (Ops[j].Op == X)
1078       return j;
1079     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1080       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1081         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1082           return j;
1083   }
1084   // Scan backwards.
1085   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1086     if (Ops[j].Op == X)
1087       return j;
1088     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1089       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1090         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1091           return j;
1092   }
1093   return i;
1094 }
1095
1096 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1097 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1098 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1099                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1100   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1101
1102   Value *V1 = Ops.back();
1103   Ops.pop_back();
1104   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1105   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1106 }
1107
1108 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
1109 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
1110 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1111 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1112   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1113   if (!BO)
1114     return nullptr;
1115
1116   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1117   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1118   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1119   Factors.reserve(Tree.size());
1120   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1121     RepeatedValue E = Tree[i];
1122     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1123                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1124   }
1125
1126   bool FoundFactor = false;
1127   bool NeedsNegate = false;
1128   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1129     if (Factors[i].Op == Factor) {
1130       FoundFactor = true;
1131       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1132       break;
1133     }
1134
1135     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1136     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1137       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1138         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1139           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1140           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1141           break;
1142         }
1143     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1144       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1145         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1146         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1147         F2.changeSign();
1148         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1149           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1150           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1151           break;
1152         }
1153       }
1154     }
1155   }
1156
1157   if (!FoundFactor) {
1158     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1159     RewriteExprTree(BO, Factors);
1160     return nullptr;
1161   }
1162
1163   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1164
1165   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1166   // remaining operand.
1167   if (Factors.size() == 1) {
1168     RedoInsts.insert(BO);
1169     V = Factors[0].Op;
1170   } else {
1171     RewriteExprTree(BO, Factors);
1172     V = BO;
1173   }
1174
1175   if (NeedsNegate)
1176     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1177
1178   return V;
1179 }
1180
1181 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1182 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1183 ///
1184 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1185 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1186                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1187                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1188   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1189   if (!BO) {
1190     Factors.push_back(V);
1191     return;
1192   }
1193
1194   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1195   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1196   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1197 }
1198
1199 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1200 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1201 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1202 /// necessary.
1203 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1204                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1205   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1206   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1207   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1208     // First, check for X and ~X in the operand list.
1209     assert(i < Ops.size());
1210     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1211       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1212       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1213       if (FoundX != i) {
1214         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1215           return Constant::getNullValue(X->getType());
1216
1217         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1218           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1219       }
1220     }
1221
1222     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1223     // each other, due to our sorting criteria.
1224     assert(i < Ops.size());
1225     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1226       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1227         // Drop duplicate values for And and Or.
1228         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1229         --i; --e;
1230         ++NumAnnihil;
1231         continue;
1232       }
1233
1234       // Drop pairs of values for Xor.
1235       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1236       if (e == 2)
1237         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1238
1239       // Y ^ X^X -> Y
1240       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1241       i -= 1; e -= 2;
1242       ++NumAnnihil;
1243     }
1244   }
1245   return nullptr;
1246 }
1247
1248 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1249 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1250 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1251 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1252 /// be returned.
1253 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1254                              const APInt &ConstOpnd) {
1255   if (ConstOpnd != 0) {
1256     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1257       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1258       Instruction *I;
1259       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1260                                     "and.ra", InsertBefore);
1261       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1262       return I;
1263     }
1264     return Opnd;
1265   }
1266   return nullptr;
1267 }
1268
1269 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1270 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1271 //
1272 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1273 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1274 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1275 //  
1276 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1277                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1278   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1279   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1280   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1281   // It is useful only when c1 == c2.
1282   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1283     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1284       return false;
1285
1286     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1287     if (C1 != ConstOpnd)
1288       return false;
1289
1290     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1291     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1292     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1293     ConstOpnd ^= C1;
1294
1295     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1296       RedoInsts.insert(T);
1297     return true;
1298   }
1299   return false;
1300 }
1301
1302                            
1303 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1304 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1305 // symbolic value. 
1306 // 
1307 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1308 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1309 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1310 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1311 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1312                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1313   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1314   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1315     return false;
1316
1317   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1318   int DeadInstNum = 1;
1319   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1320     DeadInstNum++;
1321   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1322     DeadInstNum++;
1323
1324   // Xor-Rule 2:
1325   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1326   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1327   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1328   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1329   //
1330   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1331     if (Opnd2->isOrExpr())
1332       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1333
1334     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1335     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1336     APInt C3((~C1) ^ C2);
1337
1338     // Do not increase code size!
1339     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1340       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1341       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1342         return false;
1343     }
1344
1345     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1346     ConstOpnd ^= C1;
1347
1348   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1349     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1350     //
1351     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1352     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1353     APInt C3 = C1 ^ C2;
1354     
1355     // Do not increase code size
1356     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1357       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1358       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1359         return false;
1360     }
1361
1362     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1363     ConstOpnd ^= C3;
1364   } else {
1365     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1366     //
1367     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1368     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1369     APInt C3 = C1 ^ C2;
1370     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1371   }
1372
1373   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1374   // as dead code.
1375   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1376     RedoInsts.insert(T);
1377   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1378     RedoInsts.insert(T);
1379
1380   return true;
1381 }
1382
1383 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1384 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1385 /// necessary.
1386 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1387                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1388   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1389     return V;
1390       
1391   if (Ops.size() == 1)
1392     return nullptr;
1393
1394   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1395   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1396   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1397   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1398
1399   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1400   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1401     Value *V = Ops[i].Op;
1402     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1403       XorOpnd O(V);
1404       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1405       Opnds.push_back(O);
1406     } else
1407       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1408   }
1409
1410   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1411   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1412   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1413   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1414   //  when new elements are added to the vector.
1415   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1416     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1417
1418   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1419   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1420   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1421   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1422   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1423
1424   // Step 3: Combine adjacent operands
1425   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1426   bool Changed = false;
1427   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1428     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1429     // The combined value
1430     Value *CV;
1431
1432     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1433     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1434       Changed = true;
1435       if (CV)
1436         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1437       else {
1438         CurrOpnd->Invalidate();
1439         continue;
1440       }
1441     }
1442
1443     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1444       PrevOpnd = CurrOpnd;
1445       continue;
1446     }
1447
1448     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1449     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1450     //    
1451     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1452       // Remove previous operand
1453       PrevOpnd->Invalidate();
1454       if (CV) {
1455         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1456         PrevOpnd = CurrOpnd;
1457       } else {
1458         CurrOpnd->Invalidate();
1459         PrevOpnd = nullptr;
1460       }
1461       Changed = true;
1462     }
1463   }
1464
1465   // Step 4: Reassemble the Ops
1466   if (Changed) {
1467     Ops.clear();
1468     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1469       XorOpnd &O = Opnds[i];
1470       if (O.isInvalid())
1471         continue;
1472       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1473       Ops.push_back(VE);
1474     }
1475     if (ConstOpnd != 0) {
1476       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1477       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1478       Ops.push_back(VE);
1479     }
1480     int Sz = Ops.size();
1481     if (Sz == 1)
1482       return Ops.back().Op;
1483     else if (Sz == 0) {
1484       assert(ConstOpnd == 0);
1485       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1486     }
1487   }
1488
1489   return nullptr;
1490 }
1491
1492 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1493 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1494 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1495 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1496                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1497   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1498   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1499   // scan for any
1500   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1501
1502   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1503     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1504     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1505     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1506     // that these need to be next to each other in the vector.
1507     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1508       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1509       unsigned NumFound = 0;
1510       do {
1511         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1512         ++NumFound;
1513       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1514
1515       DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1516       ++NumFactor;
1517
1518       // Insert a new multiply.
1519       Type *Ty = TheOp->getType();
1520       Constant *C = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::get(Ty, NumFound)
1521                                       : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1522       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1523
1524       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1525       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1526       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1527       RedoInsts.insert(Mul);
1528
1529       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1530       if (Ops.empty())
1531         return Mul;
1532
1533       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1534       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1535       // things being added by this operation.
1536       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1537
1538       --i;
1539       e = Ops.size();
1540       continue;
1541     }
1542
1543     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1544     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1545         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1546       continue;
1547
1548     Value *X = nullptr;
1549     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1550       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1551     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1552       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1553
1554     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1555     if (FoundX == i)
1556       continue;
1557
1558     // Remove X and -X from the operand list.
1559     if (Ops.size() == 2 &&
1560         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1561       return Constant::getNullValue(X->getType());
1562
1563     // Remove X and ~X from the operand list.
1564     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1565       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1566
1567     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1568     if (i < FoundX)
1569       --FoundX;
1570     else
1571       --i;   // Need to back up an extra one.
1572     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1573     ++NumAnnihil;
1574     --i;     // Revisit element.
1575     e -= 2;  // Removed two elements.
1576
1577     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1578     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1579       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1580       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1581       e += 1;
1582     }
1583   }
1584
1585   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1586   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1587   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1588   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1589   // for any ADD operands that are MULs.
1590   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1591
1592   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1593   // where they are actually the same multiply.
1594   unsigned MaxOcc = 0;
1595   Value *MaxOccVal = nullptr;
1596   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1597     BinaryOperator *BOp =
1598         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1599     if (!BOp)
1600       continue;
1601
1602     // Compute all of the factors of this added value.
1603     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1604     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1605     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1606
1607     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1608     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1609     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1610       Value *Factor = Factors[i];
1611       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1612         continue;
1613
1614       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1615       if (Occ > MaxOcc) {
1616         MaxOcc = Occ;
1617         MaxOccVal = Factor;
1618       }
1619
1620       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1621       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1622       // cannot be positivified.
1623       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1624         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1625           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1626           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1627                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1628           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1629           if (Occ > MaxOcc) {
1630             MaxOcc = Occ;
1631             MaxOccVal = Factor;
1632           }
1633         }
1634       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1635         if (CF->isNegative()) {
1636           APFloat F(CF->getValueAPF());
1637           F.changeSign();
1638           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1639           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1640                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1641           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1642           if (Occ > MaxOcc) {
1643             MaxOcc = Occ;
1644             MaxOccVal = Factor;
1645           }
1646         }
1647       }
1648     }
1649   }
1650
1651   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1652   if (MaxOcc > 1) {
1653     DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1654     ++NumFactor;
1655
1656     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1657     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1658     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1659     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1660     Instruction *DummyInst =
1661         I->getType()->isIntegerTy()
1662             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1663             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1664
1665     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1666     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1667       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1668       BinaryOperator *BOp =
1669           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1670       if (!BOp)
1671         continue;
1672
1673       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1674         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1675         // one fell swoop.
1676         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1677           --j;
1678           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1679             NewMulOps.push_back(V);
1680             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1681           }
1682         }
1683         --i;
1684       }
1685     }
1686
1687     // No need for extra uses anymore.
1688     delete DummyInst;
1689
1690     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1691     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1692
1693     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1694     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1695     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1696     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1697     (void)NumAddedValues;
1698     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1699       RedoInsts.insert(VI);
1700
1701     // Create the multiply.
1702     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1703
1704     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1705     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1706     RedoInsts.insert(V2);
1707
1708     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1709     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1710     if (Ops.empty())
1711       return V2;
1712
1713     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1714     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1715     // things being added by this operation.
1716     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1717   }
1718
1719   return nullptr;
1720 }
1721
1722 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1723 ///
1724 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1725 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1726 /// the order of descending power.
1727 ///
1728 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1729 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1730 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1731 ///
1732 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1733 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1734                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1735   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1736   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1737   unsigned FactorPowerSum = 0;
1738   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1739     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1740
1741     // Count the number of occurrences of this value.
1742     unsigned Count = 1;
1743     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1744       ++Count;
1745     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1746     if (Count > 1)
1747       FactorPowerSum += Count;
1748   }
1749
1750   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1751   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1752   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1753   // trying to simplify already minimal formations.
1754   if (FactorPowerSum < 4)
1755     return false;
1756
1757   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1758   FactorPowerSum = 0;
1759   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1760     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1761
1762     // Count the number of occurrences of this value.
1763     unsigned Count = 1;
1764     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1765       ++Count;
1766     if (Count == 1)
1767       continue;
1768     // Move an even number of occurrences to Factors.
1769     Count &= ~1U;
1770     Idx -= Count;
1771     FactorPowerSum += Count;
1772     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1773     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1774   }
1775
1776   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1777   // below our mininum of '4'.
1778   assert(FactorPowerSum >= 4);
1779
1780   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1781   return true;
1782 }
1783
1784 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1785 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1786                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1787   if (Ops.size() == 1)
1788     return Ops.back();
1789
1790   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1791   do {
1792     if (LHS->getType()->isIntegerTy())
1793       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1794     else
1795       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1796   } while (!Ops.empty());
1797
1798   return LHS;
1799 }
1800
1801 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1802 ///
1803 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1804 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1805 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1806 /// value.
1807 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1808                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1809   assert(Factors[0].Power);
1810   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1811   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1812        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1813     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1814       LastIdx = Idx;
1815       continue;
1816     }
1817
1818     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1819     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1820     // for that.
1821     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1822     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1823     do {
1824       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1825       ++Idx;
1826     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1827
1828     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1829     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1830     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1831     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1832       RedoInsts.insert(MI);
1833
1834     LastIdx = Idx;
1835   }
1836   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1837   // base.
1838   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1839                             Factor::PowerEqual()),
1840                 Factors.end());
1841
1842   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1843   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1844   // expression.
1845   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1846     if (Factors[Idx].Power & 1)
1847       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1848     Factors[Idx].Power >>= 1;
1849   }
1850   if (Factors[0].Power) {
1851     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1852     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1853     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1854   }
1855   if (OuterProduct.size() == 1)
1856     return OuterProduct.front();
1857
1858   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1859   return V;
1860 }
1861
1862 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1863                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1864   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1865   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1866   if (Ops.size() < 4)
1867     return nullptr;
1868
1869   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1870   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1871   // re-use.
1872   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1873   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1874     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1875
1876   IRBuilder<> Builder(I);
1877   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1878   if (Ops.empty())
1879     return V;
1880
1881   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1882   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1883   return nullptr;
1884 }
1885
1886 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1887                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1888   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1889   // Start by folding any constants that we found.
1890   Constant *Cst = nullptr;
1891   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1892   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1893     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1894     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1895   }
1896   // If there was nothing but constants then we are done.
1897   if (Ops.empty())
1898     return Cst;
1899
1900   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1901   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1902   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1903   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1904     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1905       return Cst;
1906     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1907   }
1908
1909   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1910
1911   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1912   // argument list here.
1913   unsigned NumOps = Ops.size();
1914   switch (Opcode) {
1915   default: break;
1916   case Instruction::And:
1917   case Instruction::Or:
1918     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1919       return Result;
1920     break;
1921
1922   case Instruction::Xor:
1923     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1924       return Result;
1925     break;
1926
1927   case Instruction::Add:
1928   case Instruction::FAdd:
1929     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1930       return Result;
1931     break;
1932
1933   case Instruction::Mul:
1934   case Instruction::FMul:
1935     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1936       return Result;
1937     break;
1938   }
1939
1940   if (Ops.size() != NumOps)
1941     return OptimizeExpression(I, Ops);
1942   return nullptr;
1943 }
1944
1945 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1946 /// work list.
1947 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1948   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1949   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1950   // Erase the dead instruction.
1951   ValueRankMap.erase(I);
1952   RedoInsts.remove(I);
1953   I->eraseFromParent();
1954   // Optimize its operands.
1955   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1956   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1957     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1958       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1959       // and add that since that's where optimization actually happens.
1960       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1961       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1962              Visited.insert(Op).second)
1963         Op = Op->user_back();
1964       RedoInsts.insert(Op);
1965     }
1966 }
1967
1968 // Canonicalize expressions of the following form:
1969 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1970 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1971 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1972   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1973     return nullptr;
1974
1975   // Must be a mul, fmul, or fdiv instruction.
1976   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1977   if (Opcode != Instruction::Mul && Opcode != Instruction::FMul &&
1978       Opcode != Instruction::FDiv)
1979     return nullptr;
1980
1981   // Must have at least one constant operand.
1982   Constant *C0 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(0));
1983   Constant *C1 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1));
1984   if (!C0 && !C1)
1985     return nullptr;
1986
1987   // Must be a negative ConstantInt or ConstantFP.
1988   Constant *C = C0 ? C0 : C1;
1989   unsigned ConstIdx = C0 ? 0 : 1;
1990   if (auto *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C)) {
1991     if (!CI->isNegative())
1992       return nullptr;
1993   } else if (auto *CF = dyn_cast<ConstantFP>(C)) {
1994     if (!CF->isNegative())
1995       return nullptr;
1996   } else
1997     return nullptr;
1998
1999   // User must be a binary operator with one or more uses.
2000   Instruction *User = I->user_back();
2001   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->getNumUses())
2002     return nullptr;
2003
2004   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
2005   if (UserOpcode != Instruction::Add && UserOpcode != Instruction::FAdd &&
2006       UserOpcode != Instruction::Sub && UserOpcode != Instruction::FSub)
2007     return nullptr;
2008
2009   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
2010   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
2011   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
2012     return nullptr;
2013
2014   // Change the sign of the constant.
2015   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C))
2016     I->setOperand(ConstIdx, ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue()));
2017   else {
2018     ConstantFP *CF = cast<ConstantFP>(C);
2019     APFloat Val = CF->getValueAPF();
2020     Val.changeSign();
2021     I->setOperand(ConstIdx, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2022   }
2023
2024   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2025   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2026   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2027     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2028
2029   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2030   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2031   BinaryOperator *NI;
2032   switch(UserOpcode) {
2033   default:
2034     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2035   case Instruction::Add:
2036     NI = BinaryOperator::CreateSub(Op0, Op1);
2037     break;
2038   case Instruction::Sub:
2039     NI = BinaryOperator::CreateAdd(Op0, Op1);
2040     break;
2041   case Instruction::FAdd:
2042     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2043     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2044     break;
2045   case Instruction::FSub:
2046     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2047     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2048     break;
2049   }
2050
2051   NI->insertBefore(User);
2052   NI->setName(User->getName());
2053   User->replaceAllUsesWith(NI);
2054   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2055   RedoInsts.insert(I);
2056   MadeChange = true;
2057   return NI;
2058 }
2059
2060 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2061 /// instructions is not allowed.
2062 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2063   // Only consider operations that we understand.
2064   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2065     return;
2066
2067   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2068     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2069     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2070     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2071         (I->hasOneUse() &&
2072          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2073           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2074       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2075       RedoInsts.insert(I);
2076       MadeChange = true;
2077       I = NI;
2078     }
2079
2080   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2081   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2082     I = Res;
2083
2084   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2085   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2086   // transformations simpler.
2087   if (I->isCommutative())
2088     canonicalizeOperands(I);
2089
2090   // Don't optimize vector instructions.
2091   if (I->getType()->isVectorTy())
2092     return;
2093
2094   // Don't optimize floating point instructions that don't have unsafe algebra.
2095   if (I->getType()->isFloatingPointTy() && !I->hasUnsafeAlgebra())
2096     return;
2097
2098   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2099   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2100   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2101   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2102   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2103   // optimized for the most likely conditions.
2104   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2105     return;
2106
2107   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2108   // see if we can convert it to X+-Y.
2109   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2110     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2111       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2112       RedoInsts.insert(I);
2113       MadeChange = true;
2114       I = NI;
2115     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2116       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2117       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2118       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2119           (!I->hasOneUse() ||
2120            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2121         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2122         RedoInsts.insert(I);
2123         MadeChange = true;
2124         I = NI;
2125       }
2126     }
2127   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2128     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2129       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2130       RedoInsts.insert(I);
2131       MadeChange = true;
2132       I = NI;
2133     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2134       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2135       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2136       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2137           (!I->hasOneUse() ||
2138            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2139         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2140         RedoInsts.insert(I);
2141         MadeChange = true;
2142         I = NI;
2143       }
2144     }
2145   }
2146
2147   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2148   if (!I->isAssociative()) return;
2149   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2150
2151   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2152   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2153   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2154   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2155     return;
2156
2157   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2158   // until we process the subtract.
2159   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2160       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2161     return;
2162   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2163       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2164     return;
2165
2166   ReassociateExpression(BO);
2167 }
2168
2169 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2170   assert(!I->getType()->isVectorTy() &&
2171          "Reassociation of vector instructions is not supported.");
2172
2173   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2174   // operand information.
2175   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2176   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2177   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2178   Ops.reserve(Tree.size());
2179   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2180     RepeatedValue E = Tree[i];
2181     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2182                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2183   }
2184
2185   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2186
2187   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2188   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2189   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2190   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2191   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2192   // the vector.
2193   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2194
2195   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
2196   // sorted form, optimize it globally if possible.
2197   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2198     if (V == I)
2199       // Self-referential expression in unreachable code.
2200       return;
2201     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2202     // eliminate it.
2203     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2204     I->replaceAllUsesWith(V);
2205     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2206       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2207     RedoInsts.insert(I);
2208     ++NumAnnihil;
2209     return;
2210   }
2211
2212   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2213   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2214   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2215   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2216   if (I->hasOneUse()) {
2217     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2218         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2219         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2220         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2221       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2222       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2223     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2224                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2225                    Instruction::FAdd &&
2226                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2227                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2228       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2229       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2230     }
2231   }
2232
2233   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2234
2235   if (Ops.size() == 1) {
2236     if (Ops[0].Op == I)
2237       // Self-referential expression in unreachable code.
2238       return;
2239
2240     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2241     // eliminate it.
2242     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2243     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2244       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2245     RedoInsts.insert(I);
2246     return;
2247   }
2248
2249   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2250   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2251   RewriteExprTree(I, Ops);
2252 }
2253
2254 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2255   if (skipOptnoneFunction(F))
2256     return false;
2257
2258   // Calculate the rank map for F
2259   BuildRankMap(F);
2260
2261   MadeChange = false;
2262   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2263     // Optimize every instruction in the basic block.
2264     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2265       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2266         EraseInst(II++);
2267       } else {
2268         OptimizeInst(II);
2269         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2270         ++II;
2271       }
2272
2273     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2274     while (!RedoInsts.empty()) {
2275       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2276       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2277         EraseInst(I);
2278       else
2279         OptimizeInst(I);
2280     }
2281   }
2282
2283   // We are done with the rank map.
2284   RankMap.clear();
2285   ValueRankMap.clear();
2286
2287   return MadeChange;
2288 }