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