Make the reassociation pass more powerful so that it can handle expressions
[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/Transforms/Utils/Local.h"
26 #include "llvm/Constants.h"
27 #include "llvm/DerivedTypes.h"
28 #include "llvm/Function.h"
29 #include "llvm/Instructions.h"
30 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
31 #include "llvm/Pass.h"
32 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "llvm/Support/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/Support/Debug.h"
36 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
37 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
40 #include "llvm/ADT/SmallMap.h"
41 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
42 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
43 #include <algorithm>
44 using namespace llvm;
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     WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, 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
115 namespace {
116   class Reassociate : public FunctionPass {
117     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
118     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
119     SmallVector<WeakVH, 8> RedoInsts;
120     SmallVector<WeakVH, 8> DeadInsts;
121     bool MadeChange;
122   public:
123     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
124     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
125       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
126     }
127
128     bool runOnFunction(Function &F);
129
130     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
131       AU.setPreservesCFG();
132     }
133   private:
134     void BuildRankMap(Function &F);
135     unsigned getRank(Value *V);
136     Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
137     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
138     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
139                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
140     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
141     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
142                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
143     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
144                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
145     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
146     void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
147     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
148     void ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI);
149
150     void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
151   };
152 }
153
154 char Reassociate::ID = 0;
155 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
156                 "Reassociate expressions", false, false)
157
158 // Public interface to the Reassociate pass
159 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
160
161 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
162 /// opcode and if it only has one use.
163 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
164   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
165       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
166     return cast<BinaryOperator>(V);
167   return 0;
168 }
169
170 void Reassociate::RemoveDeadBinaryOp(Value *V) {
171   BinaryOperator *Op = dyn_cast<BinaryOperator>(V);
172   if (!Op)
173     return;
174
175   ValueRankMap.erase(Op);
176   DeadInsts.push_back(Op);
177
178   BinaryOperator *LHS = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Op->getOpcode());
179   BinaryOperator *RHS = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Op->getOpcode());
180   Op->setOperand(0, UndefValue::get(Op->getType()));
181   Op->setOperand(1, UndefValue::get(Op->getType()));
182
183   if (LHS)
184     RemoveDeadBinaryOp(LHS);
185   if (RHS)
186     RemoveDeadBinaryOp(RHS);
187 }
188
189 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
190   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
191       I->getOpcode() == Instruction::LandingPad ||
192       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
193       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
194       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
195       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
196        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
197       I->getOpcode() == Instruction::UDiv ||
198       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
199       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
200       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
201       I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
202       I->getOpcode() == Instruction::FRem)
203     return true;
204   return false;
205 }
206
207 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
208   unsigned i = 2;
209
210   // Assign distinct ranks to function arguments
211   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
212     ValueRankMap[&*I] = ++i;
213
214   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
215   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
216          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
217     BasicBlock *BB = *I;
218     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
219
220     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
221     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
222     // all different in the block.
223     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
224       if (isUnmovableInstruction(I))
225         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
226   }
227 }
228
229 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
230   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
231   if (I == 0) {
232     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
233     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
234   }
235
236   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
237     return Rank;    // Rank already known?
238
239   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
240   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
241   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
242   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
243   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
244   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
245        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
246     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
247
248   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
249   // assures us that X and ~X will have the same rank.
250   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
251       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
252     ++Rank;
253
254   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
255   //     << Rank << "\n");
256
257   return ValueRankMap[I] = Rank;
258 }
259
260 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
261 ///
262 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg,
263                          DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
264   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
265
266   BinaryOperator *Res =
267     BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
268   ValueRankMap.erase(Neg);
269   Res->takeName(Neg);
270   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
271   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
272   Neg->eraseFromParent();
273   return Res;
274 }
275
276 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
277 /// nodes in Ops.  The original expression is the same as Ops[0] op ... Ops[N].
278 /// Note that a node may occur multiple times in Ops, but if so all occurrences
279 /// are consecutive in the vector.
280 ///
281 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
282 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
283 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
284 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
285 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
286 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
287 /// use is a non-leaf node of the expression.
288 ///
289 /// For example:
290 ///           expression graph        node names
291 ///
292 ///                     +        |        I
293 ///                    / \       |
294 ///                   +   +      |      A,  B
295 ///                  / \ / \     |
296 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
297 ///                / \ / \ / \   |
298 ///                   +   *      |      F,  G
299 ///
300 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
301 /// that order) C, E, F, F, G, G.
302 ///
303 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
304 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
305 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
306 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
307 ///
308 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
309 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
310 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
311 /// caller MUST use something like RewriteExprTree to put the values back in.
312 ///
313 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
314 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
315 ///
316 ///                     +        |        I
317 ///                    / \       |
318 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
319 ///                  / \   \     |
320 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
321 ///                / \ / \ / \   |
322 ///                   +   *      |      F,  G
323 ///
324 /// Note that if you visit operands recursively starting from a leaf node then
325 /// you will never encounter such an undef operand unless you get back to 'I',
326 /// which requires passing through a phi node.
327 ///
328 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
329 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
330 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
331 /// type and thus make the expression bigger.
332
333 void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
334                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
335   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
336
337   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
338   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
339   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
340   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
341   // while A has weight two.
342
343   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
344   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
345   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
346   // ways to get to it.
347   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, unsigned>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
348   Worklist.push_back(std::make_pair(I, 1));
349   unsigned Opcode = I->getOpcode();
350
351   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
352   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
353   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
354   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
355   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
356   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
357   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
358   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
359   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
360   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
361   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
362   // are explored.
363
364   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
365   // paths to each leaf seen so far.
366   typedef SmallMap<Value*, unsigned, 8> LeafMap;
367   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
368   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
369
370 #ifndef NDEBUG
371   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
372 #endif
373   while (!Worklist.empty()) {
374     std::pair<BinaryOperator*, unsigned> P = Worklist.pop_back_val();
375     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
376     assert(P.second >= 1 && "No paths to here, so how did we get here?!");
377
378     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
379       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
380       unsigned Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
381       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
382       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
383
384       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
385       // add its operands to the expression.
386       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
387         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
388         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
389         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
390         continue;
391       }
392
393       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
394       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
395       if (It == Leaves.end()) {
396         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
397         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
398         if (!Op->hasOneUse()) {
399           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
400           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
401           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
402           LeafOrder.push_back(Op);
403           Leaves[Op] = Weight;
404           continue;
405         }
406         // No uses outside the expression, try morphing it.
407       } else if (It != Leaves.end()) {
408         // Already in the leaf map.
409         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
410
411         // Update the number of paths to the leaf.
412         It->second += Weight;
413
414         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
415         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
416         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
417         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
418         MadeChange = true;
419
420         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
421         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
422         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
423         // its operands to the expression.
424         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
425           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
426           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
427           Leaves.erase(It);
428           continue;
429         }
430
431         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
432         // then it is not safe to modify the value.
433         if (!Op->hasOneUse())
434           continue;
435
436         // No uses outside the expression, try morphing it.
437         Weight = It->second;
438         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
439       }
440
441       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
442       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
443       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
444       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
445       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
446               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
447              "Should have been handled above!");
448       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
449
450       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
451       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
452       BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op);
453       if (Opcode == Instruction::Mul && BO && BinaryOperator::isNeg(BO)) {
454         DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
455         BO = LowerNegateToMultiply(BO, ValueRankMap);
456         DEBUG(dbgs() << *BO << 'n');
457         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
458         MadeChange = true;
459         continue;
460       }
461
462       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
463       // a leaf.
464       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
465       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
466       LeafOrder.push_back(Op);
467       Leaves[Op] = Weight;
468     }
469   }
470
471   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
472   // form of the expression.
473   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
474     Value *V = LeafOrder[i];
475     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
476     if (It == Leaves.end())
477       // Leaf already output, or node initially thought to be a leaf wasn't.
478       continue;
479     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
480     unsigned Weight = It->second;
481     assert(Weight > 0 && "No paths to this value!");
482     // FIXME: Rather than repeating values Weight times, use a vector of
483     // (ValueEntry, multiplicity) pairs.
484     Ops.append(Weight, ValueEntry(getRank(V), V));
485     // Ensure the leaf is only output once.
486     Leaves.erase(It);
487   }
488 }
489
490 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
491 // linearized and optimized, emit them in-order.
492 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
493                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
494   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
495
496   // Since our optimizations never increase the number of operations, the new
497   // expression can always be written by reusing the existing binary operators
498   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
499   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
500   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
501   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
502   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
503   // nsw flags.
504
505   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
506   /// the new expression into.
507   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
508   unsigned Opcode = I->getOpcode();
509   NodesToRewrite.push_back(I);
510
511   // ExpressionChanged - Whether the rewritten expression differs non-trivially
512   // from the original, requiring the clearing of all optional flags.
513   bool ExpressionChanged = false;
514   BinaryOperator *Previous;
515   BinaryOperator *Op = 0;
516   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
517     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
518            "Optimized expressions has more nodes than original!");
519     Previous = Op; Op = NodesToRewrite.pop_back_val();
520     // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
521     // that the expression tree is dominated by all of Ops.
522     if (Previous)
523       Op->moveBefore(Previous);
524
525     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
526     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
527     // a subexpression.
528     if (i+2 == Ops.size()) {
529       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
530       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
531       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
532       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
533
534       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
535         // Nothing changed, leave it alone.
536         break;
537
538       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
539         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
540         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
541         Op->swapOperands();
542         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
543         MadeChange = true;
544         ++NumChanged;
545         break;
546       }
547
548       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
549       // the old operands with the new ones.
550       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
551       if (NewLHS != OldLHS) {
552         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode))
553           NodesToRewrite.push_back(BO);
554         Op->setOperand(0, NewLHS);
555       }
556       if (NewRHS != OldRHS) {
557         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode))
558           NodesToRewrite.push_back(BO);
559         Op->setOperand(1, NewRHS);
560       }
561       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
562
563       ExpressionChanged = true;
564       MadeChange = true;
565       ++NumChanged;
566
567       break;
568     }
569
570     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
571     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
572     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
573     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
574       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
575       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
576         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
577         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
578         Op->swapOperands();
579       } else {
580         // Overwrite with the new right-hand side.
581         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode))
582           NodesToRewrite.push_back(BO);
583         Op->setOperand(1, NewRHS);
584         ExpressionChanged = true;
585       }
586       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
587       MadeChange = true;
588       ++NumChanged;
589     }
590
591     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
592     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
593     // into it.
594     if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode)) {
595       NodesToRewrite.push_back(BO);
596       continue;
597     }
598
599     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
600     // the left-hand side.
601     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
602            "Optimized expressions has more nodes than original!");
603     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
604     Op->setOperand(0, NodesToRewrite.back());
605     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
606     ExpressionChanged = true;
607     MadeChange = true;
608     ++NumChanged;
609   }
610
611   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data in
612   // the entire rewritten expression.
613   if (ExpressionChanged) {
614     do {
615       Op->clearSubclassOptionalData();
616       if (Op == I)
617         break;
618       Op = cast<BinaryOperator>(*Op->use_begin());
619     } while (1);
620   }
621
622   // Throw away any left over nodes from the original expression.
623   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
624     RemoveDeadBinaryOp(NodesToRewrite[i]);
625 }
626
627 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
628 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
629 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
630 /// that should be processed next by the reassociation pass.
631 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
632   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
633     return ConstantExpr::getNeg(C);
634
635   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
636   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
637   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
638   // this means that we turn this:
639   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
640   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
641   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
642   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
643   //
644   if (BinaryOperator *I = isReassociableOp(V, Instruction::Add)) {
645     // Push the negates through the add.
646     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
647     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
648
649     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
650     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
651     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
652     // instruction we are about to insert after them.
653     //
654     I->moveBefore(BI);
655     I->setName(I->getName()+".neg");
656     return I;
657   }
658
659   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
660   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
661   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
662     User *U = *UI;
663     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
664
665     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
666     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
667     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
668     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
669     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
670
671     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
672     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
673       continue;
674
675     BasicBlock::iterator InsertPt;
676     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
677       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
678         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
679       } else {
680         InsertPt = InstInput;
681         ++InsertPt;
682       }
683       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
684     } else {
685       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
686     }
687     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
688     return TheNeg;
689   }
690
691   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
692   // negation.
693   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
694 }
695
696 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
697 /// X-Y into (X + -Y).
698 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
699   // If this is a negation, we can't split it up!
700   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
701     return false;
702
703   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
704   // subtract or if this is only used by one.
705   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
706       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
707     return true;
708   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
709       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
710     return true;
711   if (Sub->hasOneUse() &&
712       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
713        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
714     return true;
715
716   return false;
717 }
718
719 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
720 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
721 /// reassociation.
722 static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
723                          DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
724   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
725   // instructions to be commuted with other add instructions.
726   //
727   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
728   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
729   //
730   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
731   Instruction *New =
732     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
733   New->takeName(Sub);
734
735   // Everyone now refers to the add instruction.
736   ValueRankMap.erase(Sub);
737   Sub->replaceAllUsesWith(New);
738   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
739   Sub->eraseFromParent();
740
741   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
742   return New;
743 }
744
745 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
746 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
747 /// reassociation.
748 static Instruction *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl,
749                          DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
750   // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
751   // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
752   if (isReassociableOp(Shl->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
753       (Shl->hasOneUse() &&
754        (isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Mul) ||
755         isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Add)))) {
756     Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
757     MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
758
759     Instruction *Mul =
760       BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
761     ValueRankMap.erase(Shl);
762     Mul->takeName(Shl);
763     Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
764     Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
765     Shl->eraseFromParent();
766     return Mul;
767   }
768   return 0;
769 }
770
771 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
772 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
773 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
774 /// same rank.
775 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
776                                   Value *X) {
777   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
778   unsigned e = Ops.size();
779   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
780     if (Ops[j].Op == X)
781       return j;
782   // Scan backwards.
783   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
784     if (Ops[j].Op == X)
785       return j;
786   return i;
787 }
788
789 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
790 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
791 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
792                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
793   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
794
795   Value *V1 = Ops.back();
796   Ops.pop_back();
797   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
798   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
799 }
800
801 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
802 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
803 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
804 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
805   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
806   if (!BO) return 0;
807
808   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
809   LinearizeExprTree(BO, Factors);
810
811   bool FoundFactor = false;
812   bool NeedsNegate = false;
813   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
814     if (Factors[i].Op == Factor) {
815       FoundFactor = true;
816       Factors.erase(Factors.begin()+i);
817       break;
818     }
819
820     // If this is a negative version of this factor, remove it.
821     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
822       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
823         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
824           FoundFactor = NeedsNegate = true;
825           Factors.erase(Factors.begin()+i);
826           break;
827         }
828   }
829
830   if (!FoundFactor) {
831     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
832     RewriteExprTree(BO, Factors);
833     return 0;
834   }
835
836   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
837
838   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
839   // remaining operand.
840   if (Factors.size() == 1) {
841     RemoveDeadBinaryOp(BO);
842     V = Factors[0].Op;
843   } else {
844     RewriteExprTree(BO, Factors);
845     V = BO;
846   }
847
848   if (NeedsNegate)
849     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
850
851   return V;
852 }
853
854 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
855 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
856 ///
857 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
858 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
859                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
860                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
861   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
862   if (!BO) {
863     Factors.push_back(V);
864     return;
865   }
866
867   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
868   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
869   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
870 }
871
872 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
873 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
874 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
875 /// necessary.
876 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
877                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
878   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
879   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
880   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
881     // First, check for X and ~X in the operand list.
882     assert(i < Ops.size());
883     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
884       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
885       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
886       if (FoundX != i) {
887         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
888           return Constant::getNullValue(X->getType());
889
890         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
891           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
892       }
893     }
894
895     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
896     // each other, due to our sorting criteria.
897     assert(i < Ops.size());
898     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
899       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
900         // Drop duplicate values for And and Or.
901         Ops.erase(Ops.begin()+i);
902         --i; --e;
903         ++NumAnnihil;
904         continue;
905       }
906
907       // Drop pairs of values for Xor.
908       assert(Opcode == Instruction::Xor);
909       if (e == 2)
910         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
911
912       // Y ^ X^X -> Y
913       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
914       i -= 1; e -= 2;
915       ++NumAnnihil;
916     }
917   }
918   return 0;
919 }
920
921 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
922 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
923 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
924 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
925                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
926   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
927   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
928   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
929   //
930   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
931   //
932   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
933     Value *TheOp = Ops[i].Op;
934     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
935     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
936     // that these need to be next to each other in the vector.
937     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
938       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
939       unsigned NumFound = 0;
940       do {
941         Ops.erase(Ops.begin()+i);
942         ++NumFound;
943       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
944
945       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
946       ++NumFactor;
947
948       // Insert a new multiply.
949       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
950       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
951
952       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
953       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
954       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
955       RedoInsts.push_back(Mul);
956
957       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
958       if (Ops.empty())
959         return Mul;
960
961       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
962       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
963       // things being added by this operation.
964       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
965
966       --i;
967       e = Ops.size();
968       continue;
969     }
970
971     // Check for X and -X in the operand list.
972     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
973       continue;
974
975     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
976     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
977     if (FoundX == i)
978       continue;
979
980     // Remove X and -X from the operand list.
981     if (Ops.size() == 2)
982       return Constant::getNullValue(X->getType());
983
984     Ops.erase(Ops.begin()+i);
985     if (i < FoundX)
986       --FoundX;
987     else
988       --i;   // Need to back up an extra one.
989     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
990     ++NumAnnihil;
991     --i;     // Revisit element.
992     e -= 2;  // Removed two elements.
993   }
994
995   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
996   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
997   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
998   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
999   // for any ADD operands that are MULs.
1000   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1001
1002   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1003   // where they are actually the same multiply.
1004   unsigned MaxOcc = 0;
1005   Value *MaxOccVal = 0;
1006   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1007     BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1008     if (!BOp)
1009       continue;
1010
1011     // Compute all of the factors of this added value.
1012     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1013     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1014     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1015
1016     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1017     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1018     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1019       Value *Factor = Factors[i];
1020       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
1021
1022       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1023       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1024
1025       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1026       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1027       // cannot be positivified.
1028       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
1029         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1030           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1031           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1032                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1033
1034           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1035           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1036         }
1037     }
1038   }
1039
1040   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1041   if (MaxOcc > 1) {
1042     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1043     ++NumFactor;
1044
1045     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1046     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1047     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1048     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1049     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1050     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1051     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1052       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1053       BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1054       if (!BOp)
1055         continue;
1056
1057       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1058         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1059         // one fell swoop.
1060         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1061           --j;
1062           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1063             NewMulOps.push_back(V);
1064             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1065           }
1066         }
1067         --i;
1068       }
1069     }
1070
1071     // No need for extra uses anymore.
1072     delete DummyInst;
1073
1074     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1075     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1076
1077     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1078     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1079     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1080     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1081     (void)NumAddedValues;
1082     RedoInsts.push_back(V);
1083
1084     // Create the multiply.
1085     Value *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
1086
1087     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1088     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1089     RedoInsts.push_back(V2);
1090
1091     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1092     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1093     if (Ops.empty())
1094       return V2;
1095
1096     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1097     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1098     // things being added by this operation.
1099     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1100   }
1101
1102   return 0;
1103 }
1104
1105 namespace {
1106   /// \brief Predicate tests whether a ValueEntry's op is in a map.
1107   struct IsValueInMap {
1108     const DenseMap<Value *, unsigned> &Map;
1109
1110     IsValueInMap(const DenseMap<Value *, unsigned> &Map) : Map(Map) {}
1111
1112     bool operator()(const ValueEntry &Entry) {
1113       return Map.find(Entry.Op) != Map.end();
1114     }
1115   };
1116 }
1117
1118 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1119 ///
1120 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1121 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1122 /// the order of descending power.
1123 ///
1124 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1125 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1126 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1127 ///
1128 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1129 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1130                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1131   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1132   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1133   unsigned FactorPowerSum = 0;
1134   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1135     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1136
1137     // Count the number of occurrences of this value.
1138     unsigned Count = 1;
1139     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1140       ++Count;
1141     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1142     if (Count > 1)
1143       FactorPowerSum += Count;
1144   }
1145
1146   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1147   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1148   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1149   // trying to simplify already minimal formations.
1150   if (FactorPowerSum < 4)
1151     return false;
1152
1153   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1154   FactorPowerSum = 0;
1155   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1156     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1157
1158     // Count the number of occurrences of this value.
1159     unsigned Count = 1;
1160     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1161       ++Count;
1162     if (Count == 1)
1163       continue;
1164     // Move an even number of occurences to Factors.
1165     Count &= ~1U;
1166     Idx -= Count;
1167     FactorPowerSum += Count;
1168     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1169     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1170   }
1171
1172   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1173   // below our mininum of '4'.
1174   assert(FactorPowerSum >= 4);
1175
1176   std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1177   return true;
1178 }
1179
1180 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1181 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1182                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1183   if (Ops.size() == 1)
1184     return Ops.back();
1185
1186   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1187   do {
1188     LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1189   } while (!Ops.empty());
1190
1191   return LHS;
1192 }
1193
1194 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1195 ///
1196 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1197 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1198 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1199 /// value.
1200 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1201                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1202   assert(Factors[0].Power);
1203   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1204   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1205        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1206     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1207       LastIdx = Idx;
1208       continue;
1209     }
1210
1211     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1212     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1213     // for that.
1214     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1215     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1216     do {
1217       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1218       ++Idx;
1219     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1220
1221     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1222     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1223     Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1224     RedoInsts.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1225
1226     LastIdx = Idx;
1227   }
1228   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1229   // base.
1230   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1231                             Factor::PowerEqual()),
1232                 Factors.end());
1233
1234   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1235   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1236   // expression.
1237   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1238     if (Factors[Idx].Power & 1)
1239       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1240     Factors[Idx].Power >>= 1;
1241   }
1242   if (Factors[0].Power) {
1243     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1244     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1245     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1246   }
1247   if (OuterProduct.size() == 1)
1248     return OuterProduct.front();
1249
1250   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1251   return V;
1252 }
1253
1254 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1255                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1256   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1257   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1258   if (Ops.size() < 4)
1259     return 0;
1260
1261   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1262   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1263   // re-use.
1264   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1265   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1266     return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1267
1268   IRBuilder<> Builder(I);
1269   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1270   if (Ops.empty())
1271     return V;
1272
1273   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1274   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1275   return 0;
1276 }
1277
1278 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1279                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1280   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1281   // Start by folding any constants that we found.
1282   bool IterateOptimization = false;
1283   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1284
1285   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1286
1287   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
1288     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
1289       Ops.pop_back();
1290       Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
1291       return OptimizeExpression(I, Ops);
1292     }
1293
1294   // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
1295   if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
1296     switch (Opcode) {
1297     default: break;
1298     case Instruction::And:
1299       if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
1300         return CstVal;
1301       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
1302         Ops.pop_back();
1303       break;
1304     case Instruction::Mul:
1305       if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
1306         ++NumAnnihil;
1307         return CstVal;
1308       }
1309
1310       if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
1311         Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
1312       break;
1313     case Instruction::Or:
1314       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
1315         return CstVal;
1316       // FALLTHROUGH!
1317     case Instruction::Add:
1318     case Instruction::Xor:
1319       if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
1320         Ops.pop_back();
1321       break;
1322     }
1323   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1324
1325   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1326   // argument list here.
1327   unsigned NumOps = Ops.size();
1328   switch (Opcode) {
1329   default: break;
1330   case Instruction::And:
1331   case Instruction::Or:
1332   case Instruction::Xor:
1333     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1334       return Result;
1335     break;
1336
1337   case Instruction::Add:
1338     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1339       return Result;
1340     break;
1341
1342   case Instruction::Mul:
1343     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1344       return Result;
1345     break;
1346   }
1347
1348   if (IterateOptimization || Ops.size() != NumOps)
1349     return OptimizeExpression(I, Ops);
1350   return 0;
1351 }
1352
1353 /// ReassociateInst - Inspect and reassociate the instruction at the
1354 /// given position, post-incrementing the position.
1355 void Reassociate::ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI) {
1356   Instruction *BI = BBI++;
1357   if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1358       isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
1359     if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI, ValueRankMap)) {
1360       MadeChange = true;
1361       BI = NI;
1362     }
1363
1364   // Floating point binary operators are not associative, but we can still
1365   // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
1366   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
1367   // other transformations simpler.
1368   if (isa<BinaryOperator>(BI) &&
1369       (BI->getType()->isFloatingPointTy() || BI->getType()->isVectorTy())) {
1370     // FAdd and FMul can be commuted.
1371     if (BI->getOpcode() != Instruction::FMul &&
1372         BI->getOpcode() != Instruction::FAdd)
1373       return;
1374
1375     Value *LHS = BI->getOperand(0);
1376     Value *RHS = BI->getOperand(1);
1377     unsigned LHSRank = getRank(LHS);
1378     unsigned RHSRank = getRank(RHS);
1379
1380     // Sort the operands by rank.
1381     if (RHSRank < LHSRank) {
1382       BI->setOperand(0, RHS);
1383       BI->setOperand(1, LHS);
1384     }
1385
1386     return;
1387   }
1388
1389   // Do not reassociate operations that we do not understand.
1390   if (!isa<BinaryOperator>(BI))
1391     return;
1392
1393   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
1394   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
1395   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
1396   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
1397   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
1398   // optimized for the most likely conditions.
1399   if (BI->getType()->isIntegerTy(1))
1400     return;
1401
1402   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
1403   // see if we can convert it to X+-Y.
1404   if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub) {
1405     if (ShouldBreakUpSubtract(BI)) {
1406       BI = BreakUpSubtract(BI, ValueRankMap);
1407       // Reset the BBI iterator in case BreakUpSubtract changed the
1408       // instruction it points to.
1409       BBI = BI;
1410       ++BBI;
1411       MadeChange = true;
1412     } else if (BinaryOperator::isNeg(BI)) {
1413       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1414       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1415       if (isReassociableOp(BI->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1416           (!BI->hasOneUse() ||
1417            !isReassociableOp(BI->use_back(), Instruction::Mul))) {
1418         BI = LowerNegateToMultiply(BI, ValueRankMap);
1419         MadeChange = true;
1420       }
1421     }
1422   }
1423
1424   // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
1425   if (!BI->isAssociative()) return;
1426   BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
1427
1428   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
1429   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
1430   if (I->hasOneUse() && isReassociableOp(I->use_back(), I->getOpcode()))
1431     return;
1432
1433   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
1434   // until we process the subtract.
1435   if (I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Instruction::Add &&
1436       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
1437     return;
1438
1439   ReassociateExpression(I);
1440 }
1441
1442 Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1443
1444   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1445   // operand information.
1446   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1447   LinearizeExprTree(I, Ops);
1448
1449   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1450   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1451   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1452   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1453   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1454   // the vector.
1455   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1456
1457   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1458
1459   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1460   // sorted form, optimize it globally if possible.
1461   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1462     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1463     // eliminate it.
1464     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1465     I->replaceAllUsesWith(V);
1466     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1467       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1468     RemoveDeadBinaryOp(I);
1469     ++NumAnnihil;
1470     return V;
1471   }
1472
1473   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1474   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1475   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1476   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1477   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1478       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1479       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1480       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1481     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1482     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1483   }
1484
1485   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1486
1487   if (Ops.size() == 1) {
1488     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1489     // eliminate it.
1490     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1491     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
1492       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1493     RemoveDeadBinaryOp(I);
1494     return Ops[0].Op;
1495   }
1496
1497   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1498   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1499   RewriteExprTree(I, Ops);
1500   return I;
1501 }
1502
1503 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1504   // Recalculate the rank map for F
1505   BuildRankMap(F);
1506
1507   MadeChange = false;
1508   for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
1509     for (BasicBlock::iterator BBI = FI->begin(); BBI != FI->end(); )
1510       ReassociateInst(BBI);
1511
1512   // Now that we're done, revisit any instructions which are likely to
1513   // have secondary reassociation opportunities.
1514   while (!RedoInsts.empty())
1515     if (Value *V = RedoInsts.pop_back_val()) {
1516       BasicBlock::iterator BBI = cast<Instruction>(V);
1517       ReassociateInst(BBI);
1518     }
1519
1520   // We are done with the rank map.
1521   RankMap.clear();
1522   ValueRankMap.clear();
1523
1524   // Now that we're done, delete any instructions which are no longer used.
1525   while (!DeadInsts.empty())
1526     if (Value *V = DeadInsts.pop_back_val())
1527       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(V);
1528
1529   return MadeChange;
1530 }