Revert r240137 (Fixed/added namespace ending comments using clang-tidy. NFC)
[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 /// 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 /// Return true if V is an instruction of the specified opcode and if it
237 /// 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   if  (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
325        !BinaryOperator::isFNeg(I))
326     ++Rank;
327
328   DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank << "\n");
329
330   return ValueRankMap[I] = Rank;
331 }
332
333 // Canonicalize constants to RHS.  Otherwise, sort the operands by rank.
334 void Reassociate::canonicalizeOperands(Instruction *I) {
335   assert(isa<BinaryOperator>(I) && "Expected binary operator.");
336   assert(I->isCommutative() && "Expected commutative operator.");
337
338   Value *LHS = I->getOperand(0);
339   Value *RHS = I->getOperand(1);
340   unsigned LHSRank = getRank(LHS);
341   unsigned RHSRank = getRank(RHS);
342
343   if (isa<Constant>(RHS))
344     return;
345
346   if (isa<Constant>(LHS) || RHSRank < LHSRank)
347     cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
348 }
349
350 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
351                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
352   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
353     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
354   else {
355     BinaryOperator *Res =
356         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
357     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
358     return Res;
359   }
360 }
361
362 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
363                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
364   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
365     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
366   else {
367     BinaryOperator *Res =
368       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
369     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
370     return Res;
371   }
372 }
373
374 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
375                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
376   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
377     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
378   else {
379     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
380     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
381     return Res;
382   }
383 }
384
385 /// Replace 0-X with X*-1.
386 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
387   Type *Ty = Neg->getType();
388   Constant *NegOne = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
389     ConstantInt::getAllOnesValue(Ty) : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
390
391   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
392   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
393   Res->takeName(Neg);
394   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
395   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
396   return Res;
397 }
398
399 /// Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda is the Carmichael
400 /// function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
401 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
402 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
403 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
404 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
405   if (Bitwidth < 3)
406     return Bitwidth - 1;
407   return Bitwidth - 2;
408 }
409
410 /// Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
411 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
412 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
413 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
414 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
415 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
416 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
417 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
418   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
419   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
420   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
421   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
422   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
423   // weight back into range if wrapping would be wrong.
424
425   // If RHS is zero then the weight didn't change.
426   if (RHS.isMinValue())
427     return;
428   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
429   if (LHS.isMinValue()) {
430     LHS = RHS;
431     return;
432   }
433   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
434
435   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
436     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
437     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
438     // not a problem.
439     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
440     return; // Return a weight of 1.
441   }
442   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
443     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
444     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
445     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
446     return;
447   }
448   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
449     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
450     LHS += RHS;
451     return;
452   }
453
454   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
455          "Unknown associative operation!");
456   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
457   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
458   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
459   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
460   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
461   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
462   // which by a happy accident means that they can always be represented using
463   // Bitwidth bits.
464   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
465   // the Carmichael number).
466   if (Bitwidth > 3) {
467     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
468     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
469     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
470     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
471     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
472     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
473     LHS += RHS;
474     while (LHS.uge(Threshold))
475       LHS -= CM;
476   } else {
477     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
478     // a larger type.
479     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
480     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
481     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
482            "Weights not reduced!");
483     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
484     while (Total >= Threshold)
485       Total -= CM;
486     LHS = Total;
487   }
488 }
489
490 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
491
492 /// Given an associative binary expression, return the leaf
493 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
494 /// original expression is the same as
495 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
496 /// op
497 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
498 /// op
499 ///   ...
500 /// op
501 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
502 ///
503 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
504 ///
505 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
506 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
507 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
508 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
509 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
510 ///
511 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
512 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
513 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
514 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
515 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
516 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
517 /// use is a non-leaf node of the expression.
518 ///
519 /// For example:
520 ///           expression graph        node names
521 ///
522 ///                     +        |        I
523 ///                    / \       |
524 ///                   +   +      |      A,  B
525 ///                  / \ / \     |
526 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
527 ///                / \ / \ / \   |
528 ///                   +   *      |      F,  G
529 ///
530 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
531 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
532 ///
533 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
534 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
535 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
536 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
537 ///
538 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
539 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
540 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
541 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
542 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
543 /// made a change by returning 'true'.
544 ///
545 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
546 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
547 ///
548 ///                     +        |        I
549 ///                    / \       |
550 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
551 ///                  / \   \     |
552 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
553 ///                / \ / \ / \   |
554 ///                   +   *      |      F,  G
555 ///
556 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
557 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
558 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
559 /// which requires passing through a phi node.
560 ///
561 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
562 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
563 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
564 /// type and thus make the expression bigger.
565
566 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
567                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
568   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
569   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
570   unsigned Opcode = I->getOpcode();
571   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
572          "Expected an associative and commutative operation!");
573
574   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
575   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
576   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
577   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
578   // while A has weight two.
579
580   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
581   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
582   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
583   // ways to get to it.
584   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
585   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
586   bool Changed = false;
587
588   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
589   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
590   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
591   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
592   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
593   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
594   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
595   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
596   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
597   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
598   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
599   // are explored.
600
601   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
602   // paths to each leaf seen so far.
603   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
604   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
605   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
606
607 #ifndef NDEBUG
608   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
609 #endif
610   while (!Worklist.empty()) {
611     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
612     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
613
614     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
615       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
616       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
617       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
618       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
619
620       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
621       // add its operands to the expression.
622       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
623         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
624         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
625         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
626         continue;
627       }
628
629       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
630       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
631       if (It == Leaves.end()) {
632         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
633         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
634         if (!Op->hasOneUse()) {
635           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
636           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
637           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
638           LeafOrder.push_back(Op);
639           Leaves[Op] = Weight;
640           continue;
641         }
642         // No uses outside the expression, try morphing it.
643       } else if (It != Leaves.end()) {
644         // Already in the leaf map.
645         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
646
647         // Update the number of paths to the leaf.
648         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
649
650 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
651         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
652         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
653         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
654         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
655         Changed = true;
656
657         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
658         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
659         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
660         // its operands to the expression.
661         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
662           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
663           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
664           Leaves.erase(It);
665           continue;
666         }
667 #endif
668
669         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
670         // then it is not safe to modify the value.
671         if (!Op->hasOneUse())
672           continue;
673
674         // No uses outside the expression, try morphing it.
675         Weight = It->second;
676         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
677       }
678
679       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
680       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
681       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
682       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
683       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
684               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
685               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
686                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
687              "Should have been handled above!");
688       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
689
690       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
691       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
692       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
693         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
694             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
695           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
696           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
697           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
698           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
699           Changed = true;
700           continue;
701         }
702
703       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
704       // a leaf.
705       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
706       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
707       LeafOrder.push_back(Op);
708       Leaves[Op] = Weight;
709     }
710   }
711
712   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
713   // form of the expression.
714   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
715     Value *V = LeafOrder[i];
716     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
717     if (It == Leaves.end())
718       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
719       continue;
720     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
721     APInt Weight = It->second;
722     if (Weight.isMinValue())
723       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
724       continue;
725     // Ensure the leaf is only output once.
726     It->second = 0;
727     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
728   }
729
730   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
731   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
732   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
733   if (Ops.empty()) {
734     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
735     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
736     Ops.emplace_back(Identity, APInt(Bitwidth, 1));
737   }
738
739   return Changed;
740 }
741
742 /// Now that the operands for this expression tree are
743 /// linearized and optimized, emit them in-order.
744 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
745                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
746   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
747
748   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
749   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
750   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
751   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
752   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
753   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
754   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
755   // nsw flags.
756
757   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
758   /// the new expression into.
759   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
760   unsigned Opcode = I->getOpcode();
761   BinaryOperator *Op = I;
762
763   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
764   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
765   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
766   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
767   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
768   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
769   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
770   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
771   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
772   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
773   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
774   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
775     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
776
777   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
778   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
779   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
780   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
781   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
782     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
783     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
784     // a subexpression.
785     if (i+2 == Ops.size()) {
786       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
787       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
788       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
789       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
790
791       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
792         // Nothing changed, leave it alone.
793         break;
794
795       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
796         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
797         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
798         Op->swapOperands();
799         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
800         MadeChange = true;
801         ++NumChanged;
802         break;
803       }
804
805       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
806       // the old operands with the new ones.
807       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
808       if (NewLHS != OldLHS) {
809         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
810         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
811           NodesToRewrite.push_back(BO);
812         Op->setOperand(0, NewLHS);
813       }
814       if (NewRHS != OldRHS) {
815         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
816         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
817           NodesToRewrite.push_back(BO);
818         Op->setOperand(1, NewRHS);
819       }
820       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
821
822       ExpressionChanged = Op;
823       MadeChange = true;
824       ++NumChanged;
825
826       break;
827     }
828
829     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
830     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
831     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
832     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
833       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
834       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
835         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
836         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
837         Op->swapOperands();
838       } else {
839         // Overwrite with the new right-hand side.
840         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
841         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
842           NodesToRewrite.push_back(BO);
843         Op->setOperand(1, NewRHS);
844         ExpressionChanged = Op;
845       }
846       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
847       MadeChange = true;
848       ++NumChanged;
849     }
850
851     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
852     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
853     // into it.
854     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
855     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
856       Op = BO;
857       continue;
858     }
859
860     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
861     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
862     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
863     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
864     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
865     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
866     // stupid, create a new node if there are none left.
867     BinaryOperator *NewOp;
868     if (NodesToRewrite.empty()) {
869       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
870       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
871                                      Undef, Undef, "", I);
872       if (NewOp->getType()->isFPOrFPVectorTy())
873         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
874     } else {
875       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
876     }
877
878     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
879     Op->setOperand(0, NewOp);
880     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
881     ExpressionChanged = Op;
882     MadeChange = true;
883     ++NumChanged;
884     Op = NewOp;
885   }
886
887   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
888   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
889   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
890   // expression tree is dominated by all of Ops.
891   if (ExpressionChanged)
892     do {
893       // Preserve FastMathFlags.
894       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
895         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
896         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
897         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
898       } else
899         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
900
901       if (ExpressionChanged == I)
902         break;
903       ExpressionChanged->moveBefore(I);
904       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
905     } while (1);
906
907   // Throw away any left over nodes from the original expression.
908   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
909     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
910 }
911
912 /// Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
913 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
914 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
915 /// that should be processed next by the reassociation pass.
916 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
917   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
918     if (C->getType()->isFPOrFPVectorTy()) {
919       return ConstantExpr::getFNeg(C);
920     }
921     return ConstantExpr::getNeg(C);
922   }
923
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 /// Return true if we should break up this subtract of X-Y into (X + -Y).
988 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
989   // If this is a negation, we can't split it up!
990   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
991     return false;
992
993   // Don't breakup X - undef.
994   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
995     return false;
996
997   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
998   // subtract or if this is only used by one.
999   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
1000   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1001       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1002     return true;
1003   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
1004   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1005       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1006     return true;
1007   Value *VB = Sub->user_back();
1008   if (Sub->hasOneUse() &&
1009       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1010        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
1011     return true;
1012
1013   return false;
1014 }
1015
1016 /// If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is only used by an
1017 /// add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better reassociation.
1018 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1019   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1020   // instructions to be commuted with other add instructions.
1021   //
1022   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1023   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1024   //
1025   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1026   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1027   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1028   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1029   New->takeName(Sub);
1030
1031   // Everyone now refers to the add instruction.
1032   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1033   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1034
1035   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1036   return New;
1037 }
1038
1039 /// If this is a shift of a reassociable multiply or is used by one, change
1040 /// this into a multiply by a constant to assist with further reassociation.
1041 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1042   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1043   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1044
1045   BinaryOperator *Mul =
1046     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1047   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1048   Mul->takeName(Shl);
1049
1050   // Everyone now refers to the mul instruction.
1051   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1052   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1053
1054   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1055   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1056   // handling.
1057   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1058   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1059   if (NSW && NUW)
1060     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1061   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1062   return Mul;
1063 }
1064
1065 /// Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i
1066 /// to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This is useful when
1067 /// scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the same rank.
1068 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1069                                   Value *X) {
1070   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1071   unsigned e = Ops.size();
1072   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1073     if (Ops[j].Op == X)
1074       return j;
1075     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1076       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1077         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1078           return j;
1079   }
1080   // Scan backwards.
1081   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1082     if (Ops[j].Op == X)
1083       return j;
1084     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1085       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1086         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1087           return j;
1088   }
1089   return i;
1090 }
1091
1092 /// Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1093 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1094 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1095                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1096   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1097
1098   Value *V1 = Ops.back();
1099   Ops.pop_back();
1100   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1101   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1102 }
1103
1104 /// If V is an expression tree that is a multiplication sequence,
1105 /// and if this sequence contains a multiply by Factor,
1106 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1107 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1108   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1109   if (!BO)
1110     return nullptr;
1111
1112   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1113   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1114   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1115   Factors.reserve(Tree.size());
1116   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1117     RepeatedValue E = Tree[i];
1118     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1119                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1120   }
1121
1122   bool FoundFactor = false;
1123   bool NeedsNegate = false;
1124   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1125     if (Factors[i].Op == Factor) {
1126       FoundFactor = true;
1127       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1128       break;
1129     }
1130
1131     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1132     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1133       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1134         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1135           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1136           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1137           break;
1138         }
1139     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1140       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1141         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1142         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1143         F2.changeSign();
1144         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1145           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1146           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1147           break;
1148         }
1149       }
1150     }
1151   }
1152
1153   if (!FoundFactor) {
1154     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1155     RewriteExprTree(BO, Factors);
1156     return nullptr;
1157   }
1158
1159   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1160
1161   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1162   // remaining operand.
1163   if (Factors.size() == 1) {
1164     RedoInsts.insert(BO);
1165     V = Factors[0].Op;
1166   } else {
1167     RewriteExprTree(BO, Factors);
1168     V = BO;
1169   }
1170
1171   if (NeedsNegate)
1172     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1173
1174   return V;
1175 }
1176
1177 /// If V is a single-use multiply, recursively add its operands as factors,
1178 /// otherwise add V to the list of factors.
1179 ///
1180 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1181 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1182                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1183                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1184   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1185   if (!BO) {
1186     Factors.push_back(V);
1187     return;
1188   }
1189
1190   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1191   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1192   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1193 }
1194
1195 /// Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor' instruction.
1196 /// This optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value,
1197 /// it is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1198 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1199                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1200   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1201   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1202   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1203     // First, check for X and ~X in the operand list.
1204     assert(i < Ops.size());
1205     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1206       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1207       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1208       if (FoundX != i) {
1209         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1210           return Constant::getNullValue(X->getType());
1211
1212         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1213           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1214       }
1215     }
1216
1217     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1218     // each other, due to our sorting criteria.
1219     assert(i < Ops.size());
1220     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1221       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1222         // Drop duplicate values for And and Or.
1223         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1224         --i; --e;
1225         ++NumAnnihil;
1226         continue;
1227       }
1228
1229       // Drop pairs of values for Xor.
1230       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1231       if (e == 2)
1232         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1233
1234       // Y ^ X^X -> Y
1235       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1236       i -= 1; e -= 2;
1237       ++NumAnnihil;
1238     }
1239   }
1240   return nullptr;
1241 }
1242
1243 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1244 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1245 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1246 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1247 /// be returned.
1248 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1249                              const APInt &ConstOpnd) {
1250   if (ConstOpnd != 0) {
1251     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1252       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1253       Instruction *I;
1254       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1255                                     "and.ra", InsertBefore);
1256       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1257       return I;
1258     }
1259     return Opnd;
1260   }
1261   return nullptr;
1262 }
1263
1264 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1265 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1266 //
1267 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1268 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1269 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1270 //  
1271 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1272                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1273   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1274   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1275   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1276   // It is useful only when c1 == c2.
1277   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1278     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1279       return false;
1280
1281     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1282     if (C1 != ConstOpnd)
1283       return false;
1284
1285     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1286     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1287     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1288     ConstOpnd ^= C1;
1289
1290     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1291       RedoInsts.insert(T);
1292     return true;
1293   }
1294   return false;
1295 }
1296
1297                            
1298 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1299 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1300 // symbolic value. 
1301 // 
1302 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1303 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1304 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1305 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1306 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1307                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1308   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1309   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1310     return false;
1311
1312   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1313   int DeadInstNum = 1;
1314   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1315     DeadInstNum++;
1316   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1317     DeadInstNum++;
1318
1319   // Xor-Rule 2:
1320   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1321   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1322   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1323   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1324   //
1325   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1326     if (Opnd2->isOrExpr())
1327       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1328
1329     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1330     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1331     APInt C3((~C1) ^ C2);
1332
1333     // Do not increase code size!
1334     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1335       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1336       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1337         return false;
1338     }
1339
1340     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1341     ConstOpnd ^= C1;
1342
1343   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1344     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1345     //
1346     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1347     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1348     APInt C3 = C1 ^ C2;
1349     
1350     // Do not increase code size
1351     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1352       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1353       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1354         return false;
1355     }
1356
1357     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1358     ConstOpnd ^= C3;
1359   } else {
1360     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1361     //
1362     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1363     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1364     APInt C3 = C1 ^ C2;
1365     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1366   }
1367
1368   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1369   // as dead code.
1370   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1371     RedoInsts.insert(T);
1372   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1373     RedoInsts.insert(T);
1374
1375   return true;
1376 }
1377
1378 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1379 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1380 /// necessary.
1381 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1382                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1383   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1384     return V;
1385       
1386   if (Ops.size() == 1)
1387     return nullptr;
1388
1389   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1390   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1391   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1392   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1393
1394   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1395   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1396     Value *V = Ops[i].Op;
1397     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1398       XorOpnd O(V);
1399       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1400       Opnds.push_back(O);
1401     } else
1402       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1403   }
1404
1405   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1406   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1407   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1408   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1409   //  when new elements are added to the vector.
1410   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1411     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1412
1413   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1414   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1415   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1416   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1417   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1418
1419   // Step 3: Combine adjacent operands
1420   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1421   bool Changed = false;
1422   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1423     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1424     // The combined value
1425     Value *CV;
1426
1427     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1428     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1429       Changed = true;
1430       if (CV)
1431         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1432       else {
1433         CurrOpnd->Invalidate();
1434         continue;
1435       }
1436     }
1437
1438     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1439       PrevOpnd = CurrOpnd;
1440       continue;
1441     }
1442
1443     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1444     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1445     //    
1446     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1447       // Remove previous operand
1448       PrevOpnd->Invalidate();
1449       if (CV) {
1450         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1451         PrevOpnd = CurrOpnd;
1452       } else {
1453         CurrOpnd->Invalidate();
1454         PrevOpnd = nullptr;
1455       }
1456       Changed = true;
1457     }
1458   }
1459
1460   // Step 4: Reassemble the Ops
1461   if (Changed) {
1462     Ops.clear();
1463     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1464       XorOpnd &O = Opnds[i];
1465       if (O.isInvalid())
1466         continue;
1467       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1468       Ops.push_back(VE);
1469     }
1470     if (ConstOpnd != 0) {
1471       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1472       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1473       Ops.push_back(VE);
1474     }
1475     int Sz = Ops.size();
1476     if (Sz == 1)
1477       return Ops.back().Op;
1478     else if (Sz == 0) {
1479       assert(ConstOpnd == 0);
1480       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1481     }
1482   }
1483
1484   return nullptr;
1485 }
1486
1487 /// Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1488 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1489 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1490 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1491                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1492   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1493   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1494   // scan for any
1495   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1496
1497   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1498     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1499     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1500     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1501     // that these need to be next to each other in the vector.
1502     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1503       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1504       unsigned NumFound = 0;
1505       do {
1506         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1507         ++NumFound;
1508       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1509
1510       DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1511       ++NumFactor;
1512
1513       // Insert a new multiply.
1514       Type *Ty = TheOp->getType();
1515       Constant *C = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
1516         ConstantInt::get(Ty, NumFound) : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1517       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1518
1519       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1520       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1521       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1522       RedoInsts.insert(Mul);
1523
1524       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1525       if (Ops.empty())
1526         return Mul;
1527
1528       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1529       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1530       // things being added by this operation.
1531       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1532
1533       --i;
1534       e = Ops.size();
1535       continue;
1536     }
1537
1538     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1539     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1540         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1541       continue;
1542
1543     Value *X = nullptr;
1544     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1545       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1546     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1547       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1548
1549     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1550     if (FoundX == i)
1551       continue;
1552
1553     // Remove X and -X from the operand list.
1554     if (Ops.size() == 2 &&
1555         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1556       return Constant::getNullValue(X->getType());
1557
1558     // Remove X and ~X from the operand list.
1559     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1560       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1561
1562     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1563     if (i < FoundX)
1564       --FoundX;
1565     else
1566       --i;   // Need to back up an extra one.
1567     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1568     ++NumAnnihil;
1569     --i;     // Revisit element.
1570     e -= 2;  // Removed two elements.
1571
1572     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1573     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1574       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1575       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1576       e += 1;
1577     }
1578   }
1579
1580   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1581   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1582   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1583   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1584   // for any ADD operands that are MULs.
1585   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1586
1587   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1588   // where they are actually the same multiply.
1589   unsigned MaxOcc = 0;
1590   Value *MaxOccVal = nullptr;
1591   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1592     BinaryOperator *BOp =
1593         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1594     if (!BOp)
1595       continue;
1596
1597     // Compute all of the factors of this added value.
1598     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1599     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1600     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1601
1602     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1603     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1604     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1605       Value *Factor = Factors[i];
1606       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1607         continue;
1608
1609       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1610       if (Occ > MaxOcc) {
1611         MaxOcc = Occ;
1612         MaxOccVal = Factor;
1613       }
1614
1615       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1616       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1617       // cannot be positivified.
1618       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1619         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1620           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1621           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1622                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1623           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1624           if (Occ > MaxOcc) {
1625             MaxOcc = Occ;
1626             MaxOccVal = Factor;
1627           }
1628         }
1629       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1630         if (CF->isNegative()) {
1631           APFloat F(CF->getValueAPF());
1632           F.changeSign();
1633           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1634           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1635                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1636           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1637           if (Occ > MaxOcc) {
1638             MaxOcc = Occ;
1639             MaxOccVal = Factor;
1640           }
1641         }
1642       }
1643     }
1644   }
1645
1646   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1647   if (MaxOcc > 1) {
1648     DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1649     ++NumFactor;
1650
1651     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1652     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1653     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1654     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1655     Instruction *DummyInst =
1656         I->getType()->isIntOrIntVectorTy()
1657             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1658             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1659
1660     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1661     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1662       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1663       BinaryOperator *BOp =
1664           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1665       if (!BOp)
1666         continue;
1667
1668       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1669         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1670         // one fell swoop.
1671         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1672           --j;
1673           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1674             NewMulOps.push_back(V);
1675             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1676           }
1677         }
1678         --i;
1679       }
1680     }
1681
1682     // No need for extra uses anymore.
1683     delete DummyInst;
1684
1685     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1686     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1687
1688     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1689     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1690     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1691     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1692     (void)NumAddedValues;
1693     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1694       RedoInsts.insert(VI);
1695
1696     // Create the multiply.
1697     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1698
1699     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1700     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1701     RedoInsts.insert(V2);
1702
1703     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1704     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1705     if (Ops.empty())
1706       return V2;
1707
1708     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1709     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1710     // things being added by this operation.
1711     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1712   }
1713
1714   return nullptr;
1715 }
1716
1717 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1718 ///
1719 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1720 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1721 /// the order of descending power.
1722 ///
1723 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1724 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1725 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1726 ///
1727 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1728 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1729                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1730   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1731   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1732   unsigned FactorPowerSum = 0;
1733   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1734     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1735
1736     // Count the number of occurrences of this value.
1737     unsigned Count = 1;
1738     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1739       ++Count;
1740     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1741     if (Count > 1)
1742       FactorPowerSum += Count;
1743   }
1744
1745   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1746   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1747   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1748   // trying to simplify already minimal formations.
1749   if (FactorPowerSum < 4)
1750     return false;
1751
1752   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1753   FactorPowerSum = 0;
1754   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1755     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1756
1757     // Count the number of occurrences of this value.
1758     unsigned Count = 1;
1759     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1760       ++Count;
1761     if (Count == 1)
1762       continue;
1763     // Move an even number of occurrences to Factors.
1764     Count &= ~1U;
1765     Idx -= Count;
1766     FactorPowerSum += Count;
1767     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1768     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1769   }
1770
1771   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1772   // below our mininum of '4'.
1773   assert(FactorPowerSum >= 4);
1774
1775   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1776   return true;
1777 }
1778
1779 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1780 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1781                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1782   if (Ops.size() == 1)
1783     return Ops.back();
1784
1785   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1786   do {
1787     if (LHS->getType()->isIntOrIntVectorTy())
1788       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1789     else
1790       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1791   } while (!Ops.empty());
1792
1793   return LHS;
1794 }
1795
1796 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1797 ///
1798 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1799 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1800 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1801 /// value.
1802 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1803                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1804   assert(Factors[0].Power);
1805   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1806   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1807        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1808     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1809       LastIdx = Idx;
1810       continue;
1811     }
1812
1813     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1814     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1815     // for that.
1816     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1817     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1818     do {
1819       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1820       ++Idx;
1821     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1822
1823     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1824     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1825     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1826     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1827       RedoInsts.insert(MI);
1828
1829     LastIdx = Idx;
1830   }
1831   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1832   // base.
1833   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1834                             Factor::PowerEqual()),
1835                 Factors.end());
1836
1837   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1838   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1839   // expression.
1840   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1841     if (Factors[Idx].Power & 1)
1842       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1843     Factors[Idx].Power >>= 1;
1844   }
1845   if (Factors[0].Power) {
1846     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1847     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1848     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1849   }
1850   if (OuterProduct.size() == 1)
1851     return OuterProduct.front();
1852
1853   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1854   return V;
1855 }
1856
1857 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1858                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1859   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1860   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1861   if (Ops.size() < 4)
1862     return nullptr;
1863
1864   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1865   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1866   // re-use.
1867   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1868   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1869     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1870
1871   IRBuilder<> Builder(I);
1872   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1873   if (Ops.empty())
1874     return V;
1875
1876   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1877   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1878   return nullptr;
1879 }
1880
1881 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1882                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1883   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1884   // Start by folding any constants that we found.
1885   Constant *Cst = nullptr;
1886   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1887   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1888     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1889     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1890   }
1891   // If there was nothing but constants then we are done.
1892   if (Ops.empty())
1893     return Cst;
1894
1895   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1896   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1897   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1898   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1899     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1900       return Cst;
1901     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1902   }
1903
1904   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1905
1906   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1907   // argument list here.
1908   unsigned NumOps = Ops.size();
1909   switch (Opcode) {
1910   default: break;
1911   case Instruction::And:
1912   case Instruction::Or:
1913     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1914       return Result;
1915     break;
1916
1917   case Instruction::Xor:
1918     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1919       return Result;
1920     break;
1921
1922   case Instruction::Add:
1923   case Instruction::FAdd:
1924     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1925       return Result;
1926     break;
1927
1928   case Instruction::Mul:
1929   case Instruction::FMul:
1930     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1931       return Result;
1932     break;
1933   }
1934
1935   if (Ops.size() != NumOps)
1936     return OptimizeExpression(I, Ops);
1937   return nullptr;
1938 }
1939
1940 /// Zap the given instruction, adding interesting operands to the work list.
1941 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1942   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1943   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1944   // Erase the dead instruction.
1945   ValueRankMap.erase(I);
1946   RedoInsts.remove(I);
1947   I->eraseFromParent();
1948   // Optimize its operands.
1949   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1950   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1951     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1952       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1953       // and add that since that's where optimization actually happens.
1954       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1955       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1956              Visited.insert(Op).second)
1957         Op = Op->user_back();
1958       RedoInsts.insert(Op);
1959     }
1960 }
1961
1962 // Canonicalize expressions of the following form:
1963 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1964 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1965 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1966   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1967     return nullptr;
1968
1969   // Must be a fmul or fdiv instruction.
1970   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1971   if (Opcode != Instruction::FMul && Opcode != Instruction::FDiv)
1972     return nullptr;
1973
1974   auto *C0 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(0));
1975   auto *C1 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(1));
1976
1977   // Both operands are constant, let it get constant folded away.
1978   if (C0 && C1)
1979     return nullptr;
1980
1981   ConstantFP *CF = C0 ? C0 : C1;
1982
1983   // Must have one constant operand.
1984   if (!CF)
1985     return nullptr;
1986
1987   // Must be a negative ConstantFP.
1988   if (!CF->isNegative())
1989     return nullptr;
1990
1991   // User must be a binary operator with one or more uses.
1992   Instruction *User = I->user_back();
1993   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->hasNUsesOrMore(1))
1994     return nullptr;
1995
1996   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
1997   if (UserOpcode != Instruction::FAdd && UserOpcode != Instruction::FSub)
1998     return nullptr;
1999
2000   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
2001   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
2002   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
2003     return nullptr;
2004
2005   // Change the sign of the constant.
2006   APFloat Val = CF->getValueAPF();
2007   Val.changeSign();
2008   I->setOperand(C0 ? 0 : 1, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2009
2010   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2011   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2012   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2013     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2014
2015   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2016   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2017   BinaryOperator *NI;
2018   switch (UserOpcode) {
2019   default:
2020     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2021   case Instruction::FAdd:
2022     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2023     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2024     break;
2025   case Instruction::FSub:
2026     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2027     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2028     break;
2029   }
2030
2031   NI->insertBefore(User);
2032   NI->setName(User->getName());
2033   User->replaceAllUsesWith(NI);
2034   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2035   RedoInsts.insert(I);
2036   MadeChange = true;
2037   return NI;
2038 }
2039
2040 /// Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2041 /// instructions is not allowed.
2042 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2043   // Only consider operations that we understand.
2044   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2045     return;
2046
2047   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2048     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2049     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2050     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2051         (I->hasOneUse() &&
2052          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2053           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2054       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2055       RedoInsts.insert(I);
2056       MadeChange = true;
2057       I = NI;
2058     }
2059
2060   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2061   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2062     I = Res;
2063
2064   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2065   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2066   // transformations simpler.
2067   if (I->isCommutative())
2068     canonicalizeOperands(I);
2069
2070   // TODO: We should optimize vector Xor instructions, but they are
2071   // currently unsupported.
2072   if (I->getType()->isVectorTy() && I->getOpcode() == Instruction::Xor)
2073     return;
2074
2075   // Don't optimize floating point instructions that don't have unsafe algebra.
2076   if (I->getType()->isFloatingPointTy() && !I->hasUnsafeAlgebra())
2077     return;
2078
2079   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2080   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2081   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2082   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2083   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2084   // optimized for the most likely conditions.
2085   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2086     return;
2087
2088   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2089   // see if we can convert it to X+-Y.
2090   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2091     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2092       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2093       RedoInsts.insert(I);
2094       MadeChange = true;
2095       I = NI;
2096     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2097       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2098       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2099       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2100           (!I->hasOneUse() ||
2101            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2102         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2103         RedoInsts.insert(I);
2104         MadeChange = true;
2105         I = NI;
2106       }
2107     }
2108   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2109     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2110       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2111       RedoInsts.insert(I);
2112       MadeChange = true;
2113       I = NI;
2114     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2115       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2116       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2117       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2118           (!I->hasOneUse() ||
2119            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2120         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2121         RedoInsts.insert(I);
2122         MadeChange = true;
2123         I = NI;
2124       }
2125     }
2126   }
2127
2128   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2129   if (!I->isAssociative()) return;
2130   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2131
2132   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2133   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2134   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2135   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2136     return;
2137
2138   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2139   // until we process the subtract.
2140   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2141       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2142     return;
2143   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2144       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2145     return;
2146
2147   ReassociateExpression(BO);
2148 }
2149
2150 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2151   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2152   // operand information.
2153   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2154   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2155   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2156   Ops.reserve(Tree.size());
2157   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2158     RepeatedValue E = Tree[i];
2159     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2160                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2161   }
2162
2163   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2164
2165   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2166   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2167   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2168   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2169   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2170   // the vector.
2171   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2172
2173   // Now that we have the expression tree in a convenient
2174   // sorted form, optimize it globally if possible.
2175   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2176     if (V == I)
2177       // Self-referential expression in unreachable code.
2178       return;
2179     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2180     // eliminate it.
2181     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2182     I->replaceAllUsesWith(V);
2183     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2184       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2185     RedoInsts.insert(I);
2186     ++NumAnnihil;
2187     return;
2188   }
2189
2190   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2191   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2192   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2193   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2194   if (I->hasOneUse()) {
2195     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2196         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2197         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2198         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2199       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2200       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2201     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2202                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2203                    Instruction::FAdd &&
2204                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2205                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2206       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2207       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2208     }
2209   }
2210
2211   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2212
2213   if (Ops.size() == 1) {
2214     if (Ops[0].Op == I)
2215       // Self-referential expression in unreachable code.
2216       return;
2217
2218     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2219     // eliminate it.
2220     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2221     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2222       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2223     RedoInsts.insert(I);
2224     return;
2225   }
2226
2227   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2228   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2229   RewriteExprTree(I, Ops);
2230 }
2231
2232 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2233   if (skipOptnoneFunction(F))
2234     return false;
2235
2236   // Calculate the rank map for F
2237   BuildRankMap(F);
2238
2239   MadeChange = false;
2240   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2241     // Optimize every instruction in the basic block.
2242     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2243       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2244         EraseInst(II++);
2245       } else {
2246         OptimizeInst(II);
2247         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2248         ++II;
2249       }
2250
2251     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2252     while (!RedoInsts.empty()) {
2253       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2254       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2255         EraseInst(I);
2256       else
2257         OptimizeInst(I);
2258     }
2259   }
2260
2261   // We are done with the rank map.
2262   RankMap.clear();
2263   ValueRankMap.clear();
2264
2265   return MadeChange;
2266 }