Reapply r110396, with fixes to appease the Linux buildbot gods.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
24 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
25 #include "llvm/Constants.h"
26 #include "llvm/DerivedTypes.h"
27 #include "llvm/Function.h"
28 #include "llvm/Instructions.h"
29 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
30 #include "llvm/Pass.h"
31 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
32 #include "llvm/Support/CFG.h"
33 #include "llvm/Support/Debug.h"
34 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
35 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
36 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
37 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include <algorithm>
40 using namespace llvm;
41
42 STATISTIC(NumLinear , "Number of insts linearized");
43 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
44 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
45 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
46
47 namespace {
48   struct ValueEntry {
49     unsigned Rank;
50     Value *Op;
51     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
52   };
53   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
54     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
55   }
56 }
57
58 #ifndef NDEBUG
59 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
60 ///
61 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
62   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
63   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
64        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
65   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
66     dbgs() << "[ ";
67     WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, false, M);
68     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
69   }
70 }
71 #endif
72   
73 namespace {
74   class Reassociate : public FunctionPass {
75     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
76     DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> ValueRankMap;
77     bool MadeChange;
78   public:
79     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
80     Reassociate() : FunctionPass(ID) {}
81
82     bool runOnFunction(Function &F);
83
84     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
85       AU.setPreservesCFG();
86     }
87   private:
88     void BuildRankMap(Function &F);
89     unsigned getRank(Value *V);
90     Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
91     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
92                          unsigned Idx = 0);
93     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
94                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
95     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
96     void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
97     void LinearizeExpr(BinaryOperator *I);
98     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
99     void ReassociateBB(BasicBlock *BB);
100     
101     void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
102   };
103 }
104
105 char Reassociate::ID = 0;
106 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
107                 "Reassociate expressions", false, false);
108
109 // Public interface to the Reassociate pass
110 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
111
112 void Reassociate::RemoveDeadBinaryOp(Value *V) {
113   Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(V);
114   if (!Op || !isa<BinaryOperator>(Op) || !Op->use_empty())
115     return;
116   
117   Value *LHS = Op->getOperand(0), *RHS = Op->getOperand(1);
118   
119   ValueRankMap.erase(Op);
120   Op->eraseFromParent();
121   RemoveDeadBinaryOp(LHS);
122   RemoveDeadBinaryOp(RHS);
123 }
124
125
126 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
127   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
128       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
129       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
130       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
131       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
132        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
133       I->getOpcode() == Instruction::UDiv || 
134       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
135       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
136       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
137       I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
138       I->getOpcode() == Instruction::FRem)
139     return true;
140   return false;
141 }
142
143 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
144   unsigned i = 2;
145
146   // Assign distinct ranks to function arguments
147   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
148     ValueRankMap[&*I] = ++i;
149
150   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
151   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
152          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
153     BasicBlock *BB = *I;
154     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
155
156     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
157     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
158     // all different in the block.
159     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
160       if (isUnmovableInstruction(I))
161         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
162   }
163 }
164
165 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
166   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
167   if (I == 0) {
168     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
169     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
170   }
171
172   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
173     return Rank;    // Rank already known?
174
175   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
176   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
177   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
178   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
179   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
180   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
181        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
182     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
183
184   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
185   // assures us that X and ~X will have the same rank.
186   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
187       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
188     ++Rank;
189
190   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
191   //     << Rank << "\n");
192
193   return ValueRankMap[I] = Rank;
194 }
195
196 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
197 /// opcode and if it only has one use.
198 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
199   if ((V->hasOneUse() || V->use_empty()) && isa<Instruction>(V) &&
200       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
201     return cast<BinaryOperator>(V);
202   return 0;
203 }
204
205 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
206 ///
207 static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg,
208                               DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap) {
209   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
210
211   Instruction *Res = BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
212   ValueRankMap.erase(Neg);
213   Res->takeName(Neg);
214   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
215   Neg->eraseFromParent();
216   return Res;
217 }
218
219 // Given an expression of the form '(A+B)+(D+C)', turn it into '(((A+B)+C)+D)'.
220 // Note that if D is also part of the expression tree that we recurse to
221 // linearize it as well.  Besides that case, this does not recurse into A,B, or
222 // C.
223 void Reassociate::LinearizeExpr(BinaryOperator *I) {
224   BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
225   BinaryOperator *RHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(1));
226   assert(isReassociableOp(LHS, I->getOpcode()) &&
227          isReassociableOp(RHS, I->getOpcode()) &&
228          "Not an expression that needs linearization?");
229
230   DEBUG(dbgs() << "Linear" << *LHS << '\n' << *RHS << '\n' << *I << '\n');
231
232   // Move the RHS instruction to live immediately before I, avoiding breaking
233   // dominator properties.
234   RHS->moveBefore(I);
235
236   // Move operands around to do the linearization.
237   I->setOperand(1, RHS->getOperand(0));
238   RHS->setOperand(0, LHS);
239   I->setOperand(0, RHS);
240
241   ++NumLinear;
242   MadeChange = true;
243   DEBUG(dbgs() << "Linearized: " << *I << '\n');
244
245   // If D is part of this expression tree, tail recurse.
246   if (isReassociableOp(I->getOperand(1), I->getOpcode()))
247     LinearizeExpr(I);
248 }
249
250
251 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression tree, traverse
252 /// all of the uses putting it into canonical form.  This forces a left-linear
253 /// form of the expression (((a+b)+c)+d), and collects information about the
254 /// rank of the non-tree operands.
255 ///
256 /// NOTE: These intentionally destroys the expression tree operands (turning
257 /// them into undef values) to reduce #uses of the values.  This means that the
258 /// caller MUST use something like RewriteExprTree to put the values back in.
259 ///
260 void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
261                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
262   Value *LHS = I->getOperand(0), *RHS = I->getOperand(1);
263   unsigned Opcode = I->getOpcode();
264
265   // First step, linearize the expression if it is in ((A+B)+(C+D)) form.
266   BinaryOperator *LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
267   BinaryOperator *RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
268
269   // If this is a multiply expression tree and it contains internal negations,
270   // transform them into multiplies by -1 so they can be reassociated.
271   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul) {
272     if (!LHSBO && LHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(LHS)) {
273       LHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(LHS), ValueRankMap);
274       LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
275     }
276     if (!RHSBO && RHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(RHS)) {
277       RHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(RHS), ValueRankMap);
278       RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
279     }
280   }
281
282   if (!LHSBO) {
283     if (!RHSBO) {
284       // Neither the LHS or RHS as part of the tree, thus this is a leaf.  As
285       // such, just remember these operands and their rank.
286       Ops.push_back(ValueEntry(getRank(LHS), LHS));
287       Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
288       
289       // Clear the leaves out.
290       I->setOperand(0, UndefValue::get(I->getType()));
291       I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
292       return;
293     }
294     
295     // Turn X+(Y+Z) -> (Y+Z)+X
296     std::swap(LHSBO, RHSBO);
297     std::swap(LHS, RHS);
298     bool Success = !I->swapOperands();
299     assert(Success && "swapOperands failed");
300     Success = false;
301     MadeChange = true;
302   } else if (RHSBO) {
303     // Turn (A+B)+(C+D) -> (((A+B)+C)+D).  This guarantees the RHS is not
304     // part of the expression tree.
305     LinearizeExpr(I);
306     LHS = LHSBO = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
307     RHS = I->getOperand(1);
308     RHSBO = 0;
309   }
310
311   // Okay, now we know that the LHS is a nested expression and that the RHS is
312   // not.  Perform reassociation.
313   assert(!isReassociableOp(RHS, Opcode) && "LinearizeExpr failed!");
314
315   // Move LHS right before I to make sure that the tree expression dominates all
316   // values.
317   LHSBO->moveBefore(I);
318
319   // Linearize the expression tree on the LHS.
320   LinearizeExprTree(LHSBO, Ops);
321
322   // Remember the RHS operand and its rank.
323   Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
324   
325   // Clear the RHS leaf out.
326   I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
327 }
328
329 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
330 // linearized and optimized, emit them in-order.  This function is written to be
331 // tail recursive.
332 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
333                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
334                                   unsigned i) {
335   if (i+2 == Ops.size()) {
336     if (I->getOperand(0) != Ops[i].Op ||
337         I->getOperand(1) != Ops[i+1].Op) {
338       Value *OldLHS = I->getOperand(0);
339       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
340       I->setOperand(0, Ops[i].Op);
341       I->setOperand(1, Ops[i+1].Op);
342       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
343       MadeChange = true;
344       ++NumChanged;
345       
346       // If we reassociated a tree to fewer operands (e.g. (1+a+2) -> (a+3)
347       // delete the extra, now dead, nodes.
348       RemoveDeadBinaryOp(OldLHS);
349     }
350     return;
351   }
352   assert(i+2 < Ops.size() && "Ops index out of range!");
353
354   if (I->getOperand(1) != Ops[i].Op) {
355     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
356     I->setOperand(1, Ops[i].Op);
357     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
358     MadeChange = true;
359     ++NumChanged;
360   }
361   
362   BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
363   assert(LHS->getOpcode() == I->getOpcode() &&
364          "Improper expression tree!");
365   
366   // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
367   // that the expression tree is dominated by all of Ops.
368   LHS->moveBefore(I);
369   RewriteExprTree(LHS, Ops, i+1);
370 }
371
372
373
374 // NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
375 // that computes the negative version of the value specified.  The negative
376 // version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
377 // that should be processed next by the reassociation pass.
378 //
379 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
380   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
381     return ConstantExpr::getNeg(C);
382   
383   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
384   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
385   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
386   // this means that we turn this:
387   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
388   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
389   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
390   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
391   //
392   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
393     if (I->getOpcode() == Instruction::Add && I->hasOneUse()) {
394       // Push the negates through the add.
395       I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
396       I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
397
398       // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
399       // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
400       // assured that the neg instructions we just inserted dominate the 
401       // instruction we are about to insert after them.
402       //
403       I->moveBefore(BI);
404       I->setName(I->getName()+".neg");
405       return I;
406     }
407   
408   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
409   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
410   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
411     User *U = *UI;
412     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
413
414     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
415     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
416     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
417     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
418     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
419
420     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
421     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
422       continue;
423     
424     BasicBlock::iterator InsertPt;
425     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
426       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
427         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
428       } else {
429         InsertPt = InstInput;
430         ++InsertPt;
431       }
432       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
433     } else {
434       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
435     }
436     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
437     return TheNeg;
438   }
439
440   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
441   // negation.
442   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
443 }
444
445 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
446 /// X-Y into (X + -Y).
447 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
448   // If this is a negation, we can't split it up!
449   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
450     return false;
451   
452   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
453   // subtract or if this is only used by one.
454   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
455       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
456     return true;
457   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
458       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
459     return true;
460   if (Sub->hasOneUse() && 
461       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
462        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
463     return true;
464     
465   return false;
466 }
467
468 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
469 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
470 /// reassociation.
471 static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
472                               DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap) {
473   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
474   // instructions to be commuted with other add instructions.
475   //
476   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
477   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
478   //
479   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
480   Instruction *New =
481     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
482   New->takeName(Sub);
483
484   // Everyone now refers to the add instruction.
485   ValueRankMap.erase(Sub);
486   Sub->replaceAllUsesWith(New);
487   Sub->eraseFromParent();
488
489   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
490   return New;
491 }
492
493 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
494 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
495 /// reassociation.
496 static Instruction *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl, 
497                               DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap) {
498   // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
499   // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
500   if (isReassociableOp(Shl->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
501       (Shl->hasOneUse() && 
502        (isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Mul) ||
503         isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Add)))) {
504     Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
505     MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
506     
507     Instruction *Mul =
508       BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
509     ValueRankMap.erase(Shl);
510     Mul->takeName(Shl);
511     Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
512     Shl->eraseFromParent();
513     return Mul;
514   }
515   return 0;
516 }
517
518 // Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i to
519 // see if X exists.  If X does not exist, return i.  This is useful when
520 // scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the same rank.
521 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
522                                   Value *X) {
523   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
524   unsigned e = Ops.size();
525   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
526     if (Ops[j].Op == X)
527       return j;
528   // Scan backwards.
529   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
530     if (Ops[j].Op == X)
531       return j;
532   return i;
533 }
534
535 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
536 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
537 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I, SmallVectorImpl<Value*> &Ops){
538   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
539   
540   Value *V1 = Ops.back();
541   Ops.pop_back();
542   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
543   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
544 }
545
546 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a 
547 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
548 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
549 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
550   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
551   if (!BO) return 0;
552   
553   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
554   LinearizeExprTree(BO, Factors);
555
556   bool FoundFactor = false;
557   bool NeedsNegate = false;
558   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
559     if (Factors[i].Op == Factor) {
560       FoundFactor = true;
561       Factors.erase(Factors.begin()+i);
562       break;
563     }
564     
565     // If this is a negative version of this factor, remove it.
566     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
567       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
568         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
569           FoundFactor = NeedsNegate = true;
570           Factors.erase(Factors.begin()+i);
571           break;
572         }
573   }
574   
575   if (!FoundFactor) {
576     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
577     RewriteExprTree(BO, Factors);
578     return 0;
579   }
580   
581   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
582   
583   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
584   // remaining operand.
585   if (Factors.size() == 1) {
586     ValueRankMap.erase(BO);
587     BO->eraseFromParent();
588     V = Factors[0].Op;
589   } else {
590     RewriteExprTree(BO, Factors);
591     V = BO;
592   }
593   
594   if (NeedsNegate)
595     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
596   
597   return V;
598 }
599
600 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
601 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
602 ///
603 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
604 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
605                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
606                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
607                                          bool IsRoot) {
608   BinaryOperator *BO;
609   if (!(V->hasOneUse() || V->use_empty()) || // More than one use.
610       !(BO = dyn_cast<BinaryOperator>(V)) ||
611       BO->getOpcode() != Instruction::Mul) {
612     Factors.push_back(V);
613     return;
614   }
615   
616   // If this value has a single use because it is another input to the add
617   // tree we're reassociating and we dropped its use, it actually has two
618   // uses and we can't factor it.
619   if (!IsRoot) {
620     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
621       if (Ops[i].Op == V) {
622         Factors.push_back(V);
623         return;
624       }
625   }
626   
627   
628   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
629   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops, false);
630   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops, false);
631 }
632
633 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
634 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
635 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
636 /// necessary.
637 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
638                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
639   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
640   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
641   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
642     // First, check for X and ~X in the operand list.
643     assert(i < Ops.size());
644     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
645       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
646       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
647       if (FoundX != i) {
648         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
649           return Constant::getNullValue(X->getType());
650         
651         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
652           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
653       }
654     }
655     
656     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
657     // each other, due to our sorting criteria.
658     assert(i < Ops.size());
659     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
660       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
661         // Drop duplicate values for And and Or.
662         Ops.erase(Ops.begin()+i);
663         --i; --e;
664         ++NumAnnihil;
665         continue;
666       }
667       
668       // Drop pairs of values for Xor.
669       assert(Opcode == Instruction::Xor);
670       if (e == 2)
671         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
672       
673       // Y ^ X^X -> Y
674       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
675       i -= 1; e -= 2;
676       ++NumAnnihil;
677     }
678   }
679   return 0;
680 }
681
682 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
683 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
684 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
685 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
686                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
687   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
688   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
689   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
690   //
691   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
692   //
693   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
694     Value *TheOp = Ops[i].Op;
695     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
696     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
697     // that these need to be next to each other in the vector.
698     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
699       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
700       unsigned NumFound = 0;
701       do {
702         Ops.erase(Ops.begin()+i);
703         ++NumFound;
704       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
705       
706       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
707       ++NumFactor;
708       
709       // Insert a new multiply.
710       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
711       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
712       
713       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
714       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
715       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
716       Mul = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(Mul));
717       
718       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
719       if (Ops.empty())
720         return Mul;
721       
722       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
723       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
724       // things being added by this operation.
725       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
726       
727       --i;
728       e = Ops.size();
729       continue;
730     }
731     
732     // Check for X and -X in the operand list.
733     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
734       continue;
735     
736     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
737     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
738     if (FoundX == i)
739       continue;
740     
741     // Remove X and -X from the operand list.
742     if (Ops.size() == 2)
743       return Constant::getNullValue(X->getType());
744     
745     Ops.erase(Ops.begin()+i);
746     if (i < FoundX)
747       --FoundX;
748     else
749       --i;   // Need to back up an extra one.
750     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
751     ++NumAnnihil;
752     --i;     // Revisit element.
753     e -= 2;  // Removed two elements.
754   }
755   
756   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
757   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
758   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
759   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
760   // for any ADD operands that are MULs.
761   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
762   
763   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
764   // where they are actually the same multiply.
765   unsigned MaxOcc = 0;
766   Value *MaxOccVal = 0;
767   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
768     BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
769     if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
770       continue;
771     
772     // Compute all of the factors of this added value.
773     SmallVector<Value*, 8> Factors;
774     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops, true);
775     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
776     
777     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
778     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
779     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
780       Value *Factor = Factors[i];
781       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
782       
783       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
784       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
785       
786       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
787       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
788       // cannot be positivified.
789       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
790         if (CI->getValue().isNegative() && !CI->getValue().isMinSignedValue()) {
791           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
792           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
793                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
794           
795           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
796           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
797         }
798     }
799   }
800   
801   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
802   if (MaxOcc > 1) {
803     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
804     ++NumFactor;
805
806     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
807     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
808     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause 
809     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
810     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
811     SmallVector<Value*, 4> NewMulOps;
812     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
813       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
814       BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
815       if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
816         continue;
817       
818       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
819         NewMulOps.push_back(V);
820         Ops.erase(Ops.begin()+i);
821         --i; --e;
822       }
823     }
824     
825     // No need for extra uses anymore.
826     delete DummyInst;
827
828     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
829     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
830
831     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
832     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
833     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
834     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
835     (void)NumAddedValues;
836     V = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V));
837
838     // Create the multiply.
839     Value *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
840
841     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
842     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
843     V2 = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V2));
844     
845     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
846     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
847     if (Ops.empty())
848       return V2;
849     
850     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
851     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
852     // things being added by this operation.
853     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
854   }
855   
856   return 0;
857 }
858
859 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
860                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
861   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
862   // Start by folding any constants that we found.
863   bool IterateOptimization = false;
864   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
865
866   unsigned Opcode = I->getOpcode();
867   
868   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
869     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
870       Ops.pop_back();
871       Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
872       return OptimizeExpression(I, Ops);
873     }
874
875   // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
876   if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
877     switch (Opcode) {
878     default: break;
879     case Instruction::And:
880       if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
881         return CstVal;
882       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
883         Ops.pop_back();
884       break;
885     case Instruction::Mul:
886       if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
887         ++NumAnnihil;
888         return CstVal;
889       }
890         
891       if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
892         Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
893       break;
894     case Instruction::Or:
895       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
896         return CstVal;
897       // FALLTHROUGH!
898     case Instruction::Add:
899     case Instruction::Xor:
900       if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
901         Ops.pop_back();
902       break;
903     }
904   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
905
906   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
907   // argument list here.
908   switch (Opcode) {
909   default: break;
910   case Instruction::And:
911   case Instruction::Or:
912   case Instruction::Xor: {
913     unsigned NumOps = Ops.size();
914     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
915       return Result;
916     IterateOptimization |= Ops.size() != NumOps;
917     break;
918   }
919
920   case Instruction::Add: {
921     unsigned NumOps = Ops.size();
922     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
923       return Result;
924     IterateOptimization |= Ops.size() != NumOps;
925   }
926
927     break;
928   //case Instruction::Mul:
929   }
930
931   if (IterateOptimization)
932     return OptimizeExpression(I, Ops);
933   return 0;
934 }
935
936
937 /// ReassociateBB - Inspect all of the instructions in this basic block,
938 /// reassociating them as we go.
939 void Reassociate::ReassociateBB(BasicBlock *BB) {
940   for (BasicBlock::iterator BBI = BB->begin(); BBI != BB->end(); ) {
941     Instruction *BI = BBI++;
942     if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
943         isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
944       if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI, ValueRankMap)) {
945         MadeChange = true;
946         BI = NI;
947       }
948
949     // Reject cases where it is pointless to do this.
950     if (!isa<BinaryOperator>(BI) || BI->getType()->isFloatingPointTy() || 
951         BI->getType()->isVectorTy())
952       continue;  // Floating point ops are not associative.
953
954     // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
955     // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
956     // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
957     // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
958     // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
959     // optimized for the most likely conditions.
960     if (BI->getType()->isIntegerTy(1))
961       continue;
962
963     // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
964     // see if we can convert it to X+-Y.
965     if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub) {
966       if (ShouldBreakUpSubtract(BI)) {
967         BI = BreakUpSubtract(BI, ValueRankMap);
968         // Reset the BBI iterator in case BreakUpSubtract changed the
969         // instruction it points to.
970         BBI = BI;
971         ++BBI;
972         MadeChange = true;
973       } else if (BinaryOperator::isNeg(BI)) {
974         // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
975         // and if this is not an inner node of a multiply tree.
976         if (isReassociableOp(BI->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
977             (!BI->hasOneUse() ||
978              !isReassociableOp(BI->use_back(), Instruction::Mul))) {
979           BI = LowerNegateToMultiply(BI, ValueRankMap);
980           MadeChange = true;
981         }
982       }
983     }
984
985     // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
986     if (!BI->isAssociative()) continue;
987     BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
988
989     // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
990     // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
991     if (I->hasOneUse() && isReassociableOp(I->use_back(), I->getOpcode()))
992       continue;
993
994     // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it 
995     // until we process the subtract.
996     if (I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Instruction::Add &&
997         cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
998       continue;
999
1000     ReassociateExpression(I);
1001   }
1002 }
1003
1004 Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1005   
1006   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1007   // operand information.
1008   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1009   LinearizeExprTree(I, Ops);
1010   
1011   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1012   
1013   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1014   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1015   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1016   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1017   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1018   // the vector.
1019   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1020   
1021   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1022   // sorted form, optimize it globally if possible.
1023   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1024     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1025     // eliminate it.
1026     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1027     I->replaceAllUsesWith(V);
1028     RemoveDeadBinaryOp(I);
1029     ++NumAnnihil;
1030     return V;
1031   }
1032   
1033   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1034   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1035   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1036   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1037   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1038       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1039       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1040       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1041     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1042     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1043   }
1044   
1045   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1046   
1047   if (Ops.size() == 1) {
1048     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1049     // eliminate it.
1050     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1051     RemoveDeadBinaryOp(I);
1052     return Ops[0].Op;
1053   }
1054   
1055   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1056   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1057   RewriteExprTree(I, Ops);
1058   return I;
1059 }
1060
1061
1062 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1063   // Recalculate the rank map for F
1064   BuildRankMap(F);
1065
1066   MadeChange = false;
1067   for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
1068     ReassociateBB(FI);
1069
1070   // We are done with the rank map.
1071   RankMap.clear();
1072   ValueRankMap.clear();
1073   return MadeChange;
1074 }
1075