Reapply commit 158073 with a fix (the testcase was already committed). The
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
24 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
25 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
26 #include "llvm/Constants.h"
27 #include "llvm/DerivedTypes.h"
28 #include "llvm/Function.h"
29 #include "llvm/Instructions.h"
30 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
31 #include "llvm/Pass.h"
32 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "llvm/Support/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/Support/Debug.h"
36 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
37 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
40 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
41 #include "llvm/ADT/SmallMap.h"
42 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include <algorithm>
45 using namespace llvm;
46
47 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
48 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
49 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
50
51 namespace {
52   struct ValueEntry {
53     unsigned Rank;
54     Value *Op;
55     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
56   };
57   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
58     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
59   }
60 }
61
62 #ifndef NDEBUG
63 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
64 ///
65 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
66   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
67   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
68        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
69   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
70     dbgs() << "[ ";
71     WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, false, M);
72     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
73   }
74 }
75 #endif
76
77 namespace {
78   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
79   /// factor of some product.
80   struct Factor {
81     Value *Base;
82     unsigned Power;
83
84     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
85
86     /// \brief Sort factors by their Base.
87     struct BaseSorter {
88       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
89         return LHS.Base < RHS.Base;
90       }
91     };
92
93     /// \brief Compare factors for equal bases.
94     struct BaseEqual {
95       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
96         return LHS.Base == RHS.Base;
97       }
98     };
99
100     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
101     struct PowerDescendingSorter {
102       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
103         return LHS.Power > RHS.Power;
104       }
105     };
106
107     /// \brief Compare factors for equal powers.
108     struct PowerEqual {
109       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
110         return LHS.Power == RHS.Power;
111       }
112     };
113   };
114 }
115
116 namespace {
117   class Reassociate : public FunctionPass {
118     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
119     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
120     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
121     bool MadeChange;
122   public:
123     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
124     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
125       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
126     }
127
128     bool runOnFunction(Function &F);
129
130     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
131       AU.setPreservesCFG();
132     }
133   private:
134     void BuildRankMap(Function &F);
135     unsigned getRank(Value *V);
136     Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
137     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
138     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
139                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
140     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
141     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
142                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
143     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
144                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
145     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
146     void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
147     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
148     void EraseInst(Instruction *I);
149     void OptimizeInst(Instruction *I);
150   };
151 }
152
153 char Reassociate::ID = 0;
154 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
155                 "Reassociate expressions", false, false)
156
157 // Public interface to the Reassociate pass
158 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
159
160 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
161 /// opcode and if it only has one use.
162 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
163   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
164       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
165     return cast<BinaryOperator>(V);
166   return 0;
167 }
168
169 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
170   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
171       I->getOpcode() == Instruction::LandingPad ||
172       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
173       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
174       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
175       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
176        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
177       I->getOpcode() == Instruction::UDiv ||
178       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
179       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
180       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
181       I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
182       I->getOpcode() == Instruction::FRem)
183     return true;
184   return false;
185 }
186
187 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
188   unsigned i = 2;
189
190   // Assign distinct ranks to function arguments
191   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
192     ValueRankMap[&*I] = ++i;
193
194   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
195   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
196          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
197     BasicBlock *BB = *I;
198     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
199
200     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
201     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
202     // all different in the block.
203     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
204       if (isUnmovableInstruction(I))
205         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
206   }
207 }
208
209 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
210   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
211   if (I == 0) {
212     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
213     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
214   }
215
216   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
217     return Rank;    // Rank already known?
218
219   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
220   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
221   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
222   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
223   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
224   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
225        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
226     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
227
228   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
229   // assures us that X and ~X will have the same rank.
230   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
231       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
232     ++Rank;
233
234   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
235   //     << Rank << "\n");
236
237   return ValueRankMap[I] = Rank;
238 }
239
240 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
241 ///
242 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
243   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
244
245   BinaryOperator *Res =
246     BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
247   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Neg->getType())); // Drop use of op.
248   Res->takeName(Neg);
249   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
250   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
251   return Res;
252 }
253
254 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
255 /// nodes in Ops.  The original expression is the same as Ops[0] op ... Ops[N].
256 /// Note that a node may occur multiple times in Ops, but if so all occurrences
257 /// are consecutive in the vector.
258 ///
259 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
260 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
261 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
262 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
263 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
264 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
265 /// use is a non-leaf node of the expression.
266 ///
267 /// For example:
268 ///           expression graph        node names
269 ///
270 ///                     +        |        I
271 ///                    / \       |
272 ///                   +   +      |      A,  B
273 ///                  / \ / \     |
274 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
275 ///                / \ / \ / \   |
276 ///                   +   *      |      F,  G
277 ///
278 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
279 /// that order) C, E, F, F, G, G.
280 ///
281 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
282 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
283 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
284 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
285 ///
286 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
287 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
288 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
289 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
290 /// RewriteExprTree to put the values back in.
291 ///
292 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
293 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
294 ///
295 ///                     +        |        I
296 ///                    / \       |
297 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
298 ///                  / \   \     |
299 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
300 ///                / \ / \ / \   |
301 ///                   +   *      |      F,  G
302 ///
303 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
304 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
305 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
306 /// which requires passing through a phi node.
307 ///
308 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
309 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
310 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
311 /// type and thus make the expression bigger.
312
313 void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
314                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
315   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
316
317   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
318   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
319   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
320   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
321   // while A has weight two.
322
323   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
324   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
325   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
326   // ways to get to it.
327   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, unsigned>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
328   Worklist.push_back(std::make_pair(I, 1));
329   unsigned Opcode = I->getOpcode();
330
331   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
332   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
333   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
334   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
335   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
336   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
337   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
338   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
339   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
340   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
341   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
342   // are explored.
343
344   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
345   // paths to each leaf seen so far.
346   typedef SmallMap<Value*, unsigned, 8> LeafMap;
347   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
348   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
349
350 #ifndef NDEBUG
351   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
352 #endif
353   while (!Worklist.empty()) {
354     std::pair<BinaryOperator*, unsigned> P = Worklist.pop_back_val();
355     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
356     assert(P.second >= 1 && "No paths to here, so how did we get here?!");
357
358     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
359       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
360       unsigned Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
361       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
362       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
363
364       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
365       // add its operands to the expression.
366       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
367         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
368         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
369         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
370         continue;
371       }
372
373       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
374       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
375       if (It == Leaves.end()) {
376         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
377         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
378         if (!Op->hasOneUse()) {
379           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
380           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
381           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
382           LeafOrder.push_back(Op);
383           Leaves[Op] = Weight;
384           continue;
385         }
386         // No uses outside the expression, try morphing it.
387       } else if (It != Leaves.end()) {
388         // Already in the leaf map.
389         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
390
391         // Update the number of paths to the leaf.
392         It->second += Weight;
393
394         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
395         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
396         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
397         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
398         MadeChange = true;
399
400         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
401         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
402         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
403         // its operands to the expression.
404         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
405           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
406           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
407           Leaves.erase(It);
408           continue;
409         }
410
411         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
412         // then it is not safe to modify the value.
413         if (!Op->hasOneUse())
414           continue;
415
416         // No uses outside the expression, try morphing it.
417         Weight = It->second;
418         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
419       }
420
421       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
422       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
423       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
424       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
425       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
426               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
427              "Should have been handled above!");
428       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
429
430       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
431       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
432       BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op);
433       if (Opcode == Instruction::Mul && BO && BinaryOperator::isNeg(BO)) {
434         DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
435         BO = LowerNegateToMultiply(BO);
436         DEBUG(dbgs() << *BO << 'n');
437         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
438         MadeChange = true;
439         continue;
440       }
441
442       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
443       // a leaf.
444       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
445       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
446       LeafOrder.push_back(Op);
447       Leaves[Op] = Weight;
448     }
449   }
450
451   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
452   // form of the expression.
453   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
454     Value *V = LeafOrder[i];
455     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
456     if (It == Leaves.end())
457       // Leaf already output, or node initially thought to be a leaf wasn't.
458       continue;
459     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
460     unsigned Weight = It->second;
461     assert(Weight > 0 && "No paths to this value!");
462     // FIXME: Rather than repeating values Weight times, use a vector of
463     // (ValueEntry, multiplicity) pairs.
464     Ops.append(Weight, ValueEntry(getRank(V), V));
465     // Ensure the leaf is only output once.
466     Leaves.erase(It);
467   }
468 }
469
470 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
471 // linearized and optimized, emit them in-order.
472 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
473                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
474   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
475
476   // Since our optimizations never increase the number of operations, the new
477   // expression can always be written by reusing the existing binary operators
478   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
479   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
480   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
481   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
482   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
483   // nsw flags.
484
485   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
486   /// the new expression into.
487   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
488   unsigned Opcode = I->getOpcode();
489   NodesToRewrite.push_back(I);
490
491   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
492   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
493   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
494   BinaryOperator *ExpressionChanged = 0;
495   BinaryOperator *Previous;
496   BinaryOperator *Op = 0;
497   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
498     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
499            "Optimized expressions has more nodes than original!");
500     Previous = Op; Op = NodesToRewrite.pop_back_val();
501     if (ExpressionChanged)
502       // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
503       // that the expression tree is dominated by all of Ops.
504       Op->moveBefore(Previous);
505
506     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
507     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
508     // a subexpression.
509     if (i+2 == Ops.size()) {
510       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
511       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
512       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
513       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
514
515       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
516         // Nothing changed, leave it alone.
517         break;
518
519       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
520         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
521         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
522         Op->swapOperands();
523         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
524         MadeChange = true;
525         ++NumChanged;
526         break;
527       }
528
529       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
530       // the old operands with the new ones.
531       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
532       if (NewLHS != OldLHS) {
533         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode))
534           NodesToRewrite.push_back(BO);
535         Op->setOperand(0, NewLHS);
536       }
537       if (NewRHS != OldRHS) {
538         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode))
539           NodesToRewrite.push_back(BO);
540         Op->setOperand(1, NewRHS);
541       }
542       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
543
544       ExpressionChanged = Op;
545       MadeChange = true;
546       ++NumChanged;
547
548       break;
549     }
550
551     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
552     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
553     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
554     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
555       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
556       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
557         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
558         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
559         Op->swapOperands();
560       } else {
561         // Overwrite with the new right-hand side.
562         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode))
563           NodesToRewrite.push_back(BO);
564         Op->setOperand(1, NewRHS);
565         ExpressionChanged = Op;
566       }
567       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
568       MadeChange = true;
569       ++NumChanged;
570     }
571
572     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
573     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
574     // into it.
575     if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode)) {
576       NodesToRewrite.push_back(BO);
577       continue;
578     }
579
580     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
581     // the left-hand side.
582     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
583            "Optimized expressions has more nodes than original!");
584     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
585     Op->setOperand(0, NodesToRewrite.back());
586     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
587     ExpressionChanged = Op;
588     MadeChange = true;
589     ++NumChanged;
590   }
591
592   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
593   // starting from the operator specified in ExpressionChanged.
594   if (ExpressionChanged) {
595     do {
596       ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
597       if (ExpressionChanged == I)
598         break;
599       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->use_begin());
600     } while (1);
601   }
602
603   // Throw away any left over nodes from the original expression.
604   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
605     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
606 }
607
608 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
609 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
610 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
611 /// that should be processed next by the reassociation pass.
612 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
613   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
614     return ConstantExpr::getNeg(C);
615
616   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
617   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
618   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
619   // this means that we turn this:
620   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
621   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
622   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
623   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
624   //
625   if (BinaryOperator *I = isReassociableOp(V, Instruction::Add)) {
626     // Push the negates through the add.
627     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
628     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
629
630     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
631     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
632     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
633     // instruction we are about to insert after them.
634     //
635     I->moveBefore(BI);
636     I->setName(I->getName()+".neg");
637     return I;
638   }
639
640   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
641   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
642   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
643     User *U = *UI;
644     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
645
646     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
647     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
648     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
649     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
650     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
651
652     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
653     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
654       continue;
655
656     BasicBlock::iterator InsertPt;
657     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
658       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
659         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
660       } else {
661         InsertPt = InstInput;
662         ++InsertPt;
663       }
664       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
665     } else {
666       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
667     }
668     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
669     return TheNeg;
670   }
671
672   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
673   // negation.
674   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
675 }
676
677 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
678 /// X-Y into (X + -Y).
679 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
680   // If this is a negation, we can't split it up!
681   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
682     return false;
683
684   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
685   // subtract or if this is only used by one.
686   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
687       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
688     return true;
689   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
690       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
691     return true;
692   if (Sub->hasOneUse() &&
693       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
694        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
695     return true;
696
697   return false;
698 }
699
700 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
701 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
702 /// reassociation.
703 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
704   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
705   // instructions to be commuted with other add instructions.
706   //
707   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
708   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
709   //
710   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
711   BinaryOperator *New =
712     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
713   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
714   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
715   New->takeName(Sub);
716
717   // Everyone now refers to the add instruction.
718   Sub->replaceAllUsesWith(New);
719   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
720
721   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
722   return New;
723 }
724
725 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
726 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
727 /// reassociation.
728 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
729   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
730   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
731
732   BinaryOperator *Mul =
733     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
734   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
735   Mul->takeName(Shl);
736   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
737   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
738   return Mul;
739 }
740
741 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
742 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
743 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
744 /// same rank.
745 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
746                                   Value *X) {
747   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
748   unsigned e = Ops.size();
749   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
750     if (Ops[j].Op == X)
751       return j;
752   // Scan backwards.
753   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
754     if (Ops[j].Op == X)
755       return j;
756   return i;
757 }
758
759 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
760 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
761 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
762                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
763   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
764
765   Value *V1 = Ops.back();
766   Ops.pop_back();
767   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
768   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
769 }
770
771 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
772 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
773 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
774 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
775   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
776   if (!BO) return 0;
777
778   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
779   LinearizeExprTree(BO, Factors);
780
781   bool FoundFactor = false;
782   bool NeedsNegate = false;
783   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
784     if (Factors[i].Op == Factor) {
785       FoundFactor = true;
786       Factors.erase(Factors.begin()+i);
787       break;
788     }
789
790     // If this is a negative version of this factor, remove it.
791     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
792       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
793         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
794           FoundFactor = NeedsNegate = true;
795           Factors.erase(Factors.begin()+i);
796           break;
797         }
798   }
799
800   if (!FoundFactor) {
801     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
802     RewriteExprTree(BO, Factors);
803     return 0;
804   }
805
806   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
807
808   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
809   // remaining operand.
810   if (Factors.size() == 1) {
811     RedoInsts.insert(BO);
812     V = Factors[0].Op;
813   } else {
814     RewriteExprTree(BO, Factors);
815     V = BO;
816   }
817
818   if (NeedsNegate)
819     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
820
821   return V;
822 }
823
824 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
825 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
826 ///
827 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
828 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
829                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
830                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
831   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
832   if (!BO) {
833     Factors.push_back(V);
834     return;
835   }
836
837   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
838   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
839   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
840 }
841
842 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
843 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
844 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
845 /// necessary.
846 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
847                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
848   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
849   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
850   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
851     // First, check for X and ~X in the operand list.
852     assert(i < Ops.size());
853     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
854       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
855       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
856       if (FoundX != i) {
857         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
858           return Constant::getNullValue(X->getType());
859
860         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
861           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
862       }
863     }
864
865     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
866     // each other, due to our sorting criteria.
867     assert(i < Ops.size());
868     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
869       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
870         // Drop duplicate values for And and Or.
871         Ops.erase(Ops.begin()+i);
872         --i; --e;
873         ++NumAnnihil;
874         continue;
875       }
876
877       // Drop pairs of values for Xor.
878       assert(Opcode == Instruction::Xor);
879       if (e == 2)
880         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
881
882       // Y ^ X^X -> Y
883       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
884       i -= 1; e -= 2;
885       ++NumAnnihil;
886     }
887   }
888   return 0;
889 }
890
891 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
892 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
893 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
894 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
895                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
896   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
897   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
898   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
899   //
900   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
901   //
902   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
903     Value *TheOp = Ops[i].Op;
904     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
905     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
906     // that these need to be next to each other in the vector.
907     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
908       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
909       unsigned NumFound = 0;
910       do {
911         Ops.erase(Ops.begin()+i);
912         ++NumFound;
913       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
914
915       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
916       ++NumFactor;
917
918       // Insert a new multiply.
919       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
920       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
921
922       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
923       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
924       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
925       RedoInsts.insert(cast<Instruction>(Mul));
926
927       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
928       if (Ops.empty())
929         return Mul;
930
931       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
932       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
933       // things being added by this operation.
934       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
935
936       --i;
937       e = Ops.size();
938       continue;
939     }
940
941     // Check for X and -X in the operand list.
942     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
943       continue;
944
945     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
946     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
947     if (FoundX == i)
948       continue;
949
950     // Remove X and -X from the operand list.
951     if (Ops.size() == 2)
952       return Constant::getNullValue(X->getType());
953
954     Ops.erase(Ops.begin()+i);
955     if (i < FoundX)
956       --FoundX;
957     else
958       --i;   // Need to back up an extra one.
959     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
960     ++NumAnnihil;
961     --i;     // Revisit element.
962     e -= 2;  // Removed two elements.
963   }
964
965   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
966   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
967   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
968   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
969   // for any ADD operands that are MULs.
970   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
971
972   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
973   // where they are actually the same multiply.
974   unsigned MaxOcc = 0;
975   Value *MaxOccVal = 0;
976   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
977     BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
978     if (!BOp)
979       continue;
980
981     // Compute all of the factors of this added value.
982     SmallVector<Value*, 8> Factors;
983     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
984     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
985
986     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
987     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
988     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
989       Value *Factor = Factors[i];
990       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
991
992       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
993       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
994
995       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
996       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
997       // cannot be positivified.
998       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
999         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1000           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1001           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1002                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1003
1004           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1005           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1006         }
1007     }
1008   }
1009
1010   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1011   if (MaxOcc > 1) {
1012     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1013     ++NumFactor;
1014
1015     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1016     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1017     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1018     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1019     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1020     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1021     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1022       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1023       BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1024       if (!BOp)
1025         continue;
1026
1027       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1028         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1029         // one fell swoop.
1030         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1031           --j;
1032           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1033             NewMulOps.push_back(V);
1034             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1035           }
1036         }
1037         --i;
1038       }
1039     }
1040
1041     // No need for extra uses anymore.
1042     delete DummyInst;
1043
1044     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1045     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1046
1047     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1048     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1049     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1050     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1051     (void)NumAddedValues;
1052     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1053       RedoInsts.insert(VI);
1054
1055     // Create the multiply.
1056     Instruction *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
1057
1058     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1059     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1060     RedoInsts.insert(V2);
1061
1062     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1063     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1064     if (Ops.empty())
1065       return V2;
1066
1067     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1068     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1069     // things being added by this operation.
1070     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1071   }
1072
1073   return 0;
1074 }
1075
1076 namespace {
1077   /// \brief Predicate tests whether a ValueEntry's op is in a map.
1078   struct IsValueInMap {
1079     const DenseMap<Value *, unsigned> &Map;
1080
1081     IsValueInMap(const DenseMap<Value *, unsigned> &Map) : Map(Map) {}
1082
1083     bool operator()(const ValueEntry &Entry) {
1084       return Map.find(Entry.Op) != Map.end();
1085     }
1086   };
1087 }
1088
1089 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1090 ///
1091 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1092 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1093 /// the order of descending power.
1094 ///
1095 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1096 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1097 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1098 ///
1099 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1100 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1101                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1102   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1103   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1104   unsigned FactorPowerSum = 0;
1105   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1106     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1107
1108     // Count the number of occurrences of this value.
1109     unsigned Count = 1;
1110     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1111       ++Count;
1112     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1113     if (Count > 1)
1114       FactorPowerSum += Count;
1115   }
1116
1117   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1118   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1119   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1120   // trying to simplify already minimal formations.
1121   if (FactorPowerSum < 4)
1122     return false;
1123
1124   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1125   FactorPowerSum = 0;
1126   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1127     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1128
1129     // Count the number of occurrences of this value.
1130     unsigned Count = 1;
1131     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1132       ++Count;
1133     if (Count == 1)
1134       continue;
1135     // Move an even number of occurrences to Factors.
1136     Count &= ~1U;
1137     Idx -= Count;
1138     FactorPowerSum += Count;
1139     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1140     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1141   }
1142
1143   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1144   // below our mininum of '4'.
1145   assert(FactorPowerSum >= 4);
1146
1147   std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1148   return true;
1149 }
1150
1151 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1152 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1153                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1154   if (Ops.size() == 1)
1155     return Ops.back();
1156
1157   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1158   do {
1159     LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1160   } while (!Ops.empty());
1161
1162   return LHS;
1163 }
1164
1165 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1166 ///
1167 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1168 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1169 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1170 /// value.
1171 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1172                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1173   assert(Factors[0].Power);
1174   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1175   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1176        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1177     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1178       LastIdx = Idx;
1179       continue;
1180     }
1181
1182     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1183     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1184     // for that.
1185     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1186     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1187     do {
1188       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1189       ++Idx;
1190     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1191
1192     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1193     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1194     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1195     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1196       RedoInsts.insert(MI);
1197
1198     LastIdx = Idx;
1199   }
1200   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1201   // base.
1202   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1203                             Factor::PowerEqual()),
1204                 Factors.end());
1205
1206   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1207   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1208   // expression.
1209   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1210     if (Factors[Idx].Power & 1)
1211       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1212     Factors[Idx].Power >>= 1;
1213   }
1214   if (Factors[0].Power) {
1215     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1216     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1217     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1218   }
1219   if (OuterProduct.size() == 1)
1220     return OuterProduct.front();
1221
1222   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1223   return V;
1224 }
1225
1226 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1227                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1228   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1229   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1230   if (Ops.size() < 4)
1231     return 0;
1232
1233   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1234   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1235   // re-use.
1236   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1237   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1238     return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1239
1240   IRBuilder<> Builder(I);
1241   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1242   if (Ops.empty())
1243     return V;
1244
1245   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1246   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1247   return 0;
1248 }
1249
1250 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1251                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1252   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1253   // Start by folding any constants that we found.
1254   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1255
1256   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1257
1258   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
1259     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
1260       Ops.pop_back();
1261       Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
1262       return OptimizeExpression(I, Ops);
1263     }
1264
1265   // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
1266   if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
1267     switch (Opcode) {
1268     default: break;
1269     case Instruction::And:
1270       if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
1271         return CstVal;
1272       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
1273         Ops.pop_back();
1274       break;
1275     case Instruction::Mul:
1276       if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
1277         ++NumAnnihil;
1278         return CstVal;
1279       }
1280
1281       if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
1282         Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
1283       break;
1284     case Instruction::Or:
1285       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
1286         return CstVal;
1287       // FALLTHROUGH!
1288     case Instruction::Add:
1289     case Instruction::Xor:
1290       if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
1291         Ops.pop_back();
1292       break;
1293     }
1294   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1295
1296   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1297   // argument list here.
1298   unsigned NumOps = Ops.size();
1299   switch (Opcode) {
1300   default: break;
1301   case Instruction::And:
1302   case Instruction::Or:
1303   case Instruction::Xor:
1304     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1305       return Result;
1306     break;
1307
1308   case Instruction::Add:
1309     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1310       return Result;
1311     break;
1312
1313   case Instruction::Mul:
1314     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1315       return Result;
1316     break;
1317   }
1318
1319   if (Ops.size() != NumOps)
1320     return OptimizeExpression(I, Ops);
1321   return 0;
1322 }
1323
1324 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1325 /// work list.
1326 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1327   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1328   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1329   // Erase the dead instruction.
1330   ValueRankMap.erase(I);
1331   I->eraseFromParent();
1332   // Optimize its operands.
1333   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1334     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1335       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1336       // and add that since that's where optimization actually happens.
1337       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1338       while (Op->hasOneUse() && Op->use_back()->getOpcode() == Opcode)
1339         Op = Op->use_back();
1340       RedoInsts.insert(Op);
1341     }
1342 }
1343
1344 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
1345 /// instructions is not allowed.
1346 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
1347   // Only consider operations that we understand.
1348   if (!isa<BinaryOperator>(I))
1349     return;
1350
1351   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1352       isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1353     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
1354     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
1355     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
1356         (I->hasOneUse() &&
1357          (isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul) ||
1358           isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Add)))) {
1359       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
1360       RedoInsts.insert(I);
1361       MadeChange = true;
1362       I = NI;
1363     }
1364
1365   // Floating point binary operators are not associative, but we can still
1366   // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
1367   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
1368   // other transformations simpler.
1369   if ((I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy())) {
1370     // FAdd and FMul can be commuted.
1371     if (I->getOpcode() != Instruction::FMul &&
1372         I->getOpcode() != Instruction::FAdd)
1373       return;
1374
1375     Value *LHS = I->getOperand(0);
1376     Value *RHS = I->getOperand(1);
1377     unsigned LHSRank = getRank(LHS);
1378     unsigned RHSRank = getRank(RHS);
1379
1380     // Sort the operands by rank.
1381     if (RHSRank < LHSRank) {
1382       I->setOperand(0, RHS);
1383       I->setOperand(1, LHS);
1384     }
1385
1386     return;
1387   }
1388
1389   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
1390   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
1391   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
1392   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
1393   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
1394   // optimized for the most likely conditions.
1395   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
1396     return;
1397
1398   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
1399   // see if we can convert it to X+-Y.
1400   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
1401     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
1402       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
1403       RedoInsts.insert(I);
1404       MadeChange = true;
1405       I = NI;
1406     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
1407       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1408       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1409       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1410           (!I->hasOneUse() ||
1411            !isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul))) {
1412         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
1413         RedoInsts.insert(I);
1414         MadeChange = true;
1415         I = NI;
1416       }
1417     }
1418   }
1419
1420   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
1421   if (!I->isAssociative()) return;
1422   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
1423
1424   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
1425   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
1426   if (BO->hasOneUse() && BO->use_back()->getOpcode() == BO->getOpcode())
1427     return;
1428
1429   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
1430   // until we process the subtract.
1431   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
1432       cast<Instruction>(BO->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
1433     return;
1434
1435   ReassociateExpression(BO);
1436 }
1437
1438 Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1439
1440   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1441   // operand information.
1442   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1443   LinearizeExprTree(I, Ops);
1444
1445   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1446
1447   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1448   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1449   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1450   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1451   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1452   // the vector.
1453   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1454
1455   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1456   // sorted form, optimize it globally if possible.
1457   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1458     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1459     // eliminate it.
1460     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1461     I->replaceAllUsesWith(V);
1462     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1463       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1464     RedoInsts.insert(I);
1465     ++NumAnnihil;
1466     return V;
1467   }
1468
1469   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1470   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1471   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1472   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1473   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1474       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1475       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1476       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1477     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1478     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1479   }
1480
1481   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1482
1483   if (Ops.size() == 1) {
1484     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1485     // eliminate it.
1486     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1487     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
1488       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1489     RedoInsts.insert(I);
1490     return Ops[0].Op;
1491   }
1492
1493   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1494   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1495   RewriteExprTree(I, Ops);
1496   return I;
1497 }
1498
1499 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1500   // Calculate the rank map for F
1501   BuildRankMap(F);
1502
1503   MadeChange = false;
1504   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
1505     // Optimize every instruction in the basic block.
1506     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
1507       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
1508         EraseInst(II++);
1509       } else {
1510         OptimizeInst(II);
1511         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
1512         ++II;
1513       }
1514
1515     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
1516     while (!RedoInsts.empty()) {
1517       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
1518       if (isInstructionTriviallyDead(I))
1519         EraseInst(I);
1520       else
1521         OptimizeInst(I);
1522     }
1523   }
1524
1525   // We are done with the rank map.
1526   RankMap.clear();
1527   ValueRankMap.clear();
1528
1529   return MadeChange;
1530 }