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