lib/Transforms/Scalar/Reassociate.cpp

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