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