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