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