Taints the non-acquire RMW's store address with the load part
[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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
24 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
25 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
26 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
27 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
28 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
29 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
30 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
31 #include "llvm/IR/CFG.h"
32 #include "llvm/IR/Constants.h"
33 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
34 #include "llvm/IR/Function.h"
35 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
36 #include "llvm/IR/Instructions.h"
37 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
38 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
39 #include "llvm/Pass.h"
40 #include "llvm/Support/Debug.h"
41 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
43 #include <algorithm>
44 using namespace llvm;
45
46 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
47
48 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
49 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
50 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
51
52 namespace {
53   struct ValueEntry {
54     unsigned Rank;
55     Value *Op;
56     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
57   };
58   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
59     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
60   }
61 }
62
63 #ifndef NDEBUG
64 /// Print out the expression identified in the Ops list.
65 ///
66 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
67   Module *M = I->getModule();
68   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
69        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
70   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
71     dbgs() << "[ ";
72     Ops[i].Op->printAsOperand(dbgs(), false, M);
73     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
74   }
75 }
76 #endif
77
78 namespace {
79   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
80   /// factor of some product.
81   struct Factor {
82     Value *Base;
83     unsigned Power;
84
85     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
86
87     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
88     struct PowerDescendingSorter {
89       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
90         return LHS.Power > RHS.Power;
91       }
92     };
93
94     /// \brief Compare factors for equal powers.
95     struct PowerEqual {
96       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
97         return LHS.Power == RHS.Power;
98       }
99     };
100   };
101   
102   /// Utility class representing a non-constant Xor-operand. We classify
103   /// non-constant Xor-Operands into two categories:
104   ///  C1) The operand is in the form "X & C", where C is a constant and C != ~0
105   ///  C2)
106   ///    C2.1) The operand is in the form of "X | C", where C is a non-zero
107   ///          constant.
108   ///    C2.2) Any operand E which doesn't fall into C1 and C2.1, we view this
109   ///          operand as "E | 0"
110   class XorOpnd {
111   public:
112     XorOpnd(Value *V);
113
114     bool isInvalid() const { return SymbolicPart == nullptr; }
115     bool isOrExpr() const { return isOr; }
116     Value *getValue() const { return OrigVal; }
117     Value *getSymbolicPart() const { return SymbolicPart; }
118     unsigned getSymbolicRank() const { return SymbolicRank; }
119     const APInt &getConstPart() const { return ConstPart; }
120
121     void Invalidate() { SymbolicPart = OrigVal = nullptr; }
122     void setSymbolicRank(unsigned R) { SymbolicRank = R; }
123
124     // Sort the XorOpnd-Pointer in ascending order of symbolic-value-rank.
125     // The purpose is twofold:
126     // 1) Cluster together the operands sharing the same symbolic-value.
127     // 2) Operand having smaller symbolic-value-rank is permuted earlier, which 
128     //   could potentially shorten crital path, and expose more loop-invariants.
129     //   Note that values' rank are basically defined in RPO order (FIXME). 
130     //   So, if Rank(X) < Rank(Y) < Rank(Z), it means X is defined earlier 
131     //   than Y which is defined earlier than Z. Permute "x | 1", "Y & 2",
132     //   "z" in the order of X-Y-Z is better than any other orders.
133     struct PtrSortFunctor {
134       bool operator()(XorOpnd * const &LHS, XorOpnd * const &RHS) {
135         return LHS->getSymbolicRank() < RHS->getSymbolicRank();
136       }
137     };
138   private:
139     Value *OrigVal;
140     Value *SymbolicPart;
141     APInt ConstPart;
142     unsigned SymbolicRank;
143     bool isOr;
144   };
145 }
146
147 namespace {
148   class Reassociate : public FunctionPass {
149     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
150     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
151     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
152     bool MadeChange;
153   public:
154     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
155     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
156       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
157     }
158
159     bool runOnFunction(Function &F) override;
160
161     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
162       AU.setPreservesCFG();
163       AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
164     }
165   private:
166     void BuildRankMap(Function &F);
167     unsigned getRank(Value *V);
168     void canonicalizeOperands(Instruction *I);
169     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
170     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
171     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
172                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
173     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
174     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
175     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
176                         Value *&Res);
177     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
178                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
179     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
180                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
181     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
182                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
183     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
184     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
185     void EraseInst(Instruction *I);
186     void RecursivelyEraseDeadInsts(Instruction *I,
187                                    SetVector<AssertingVH<Instruction>> &Insts);
188     void OptimizeInst(Instruction *I);
189     Instruction *canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I);
190   };
191 }
192
193 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
194   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
195   OrigVal = V;
196   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
197   SymbolicRank = 0;
198
199   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
200             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
201     Value *V0 = I->getOperand(0);
202     Value *V1 = I->getOperand(1);
203     if (isa<ConstantInt>(V0))
204       std::swap(V0, V1);
205
206     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
207       ConstPart = C->getValue();
208       SymbolicPart = V0;
209       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
210       return;
211     }
212   }
213
214   // view the operand as "V | 0"
215   SymbolicPart = V;
216   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
217   isOr = true;
218 }
219
220 char Reassociate::ID = 0;
221 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
222                 "Reassociate expressions", false, false)
223
224 // Public interface to the Reassociate pass
225 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
226
227 /// Return true if V is an instruction of the specified opcode and if it
228 /// only has one use.
229 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
230   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
231       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode &&
232       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
233        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
234     return cast<BinaryOperator>(V);
235   return nullptr;
236 }
237
238 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
239                                         unsigned Opcode2) {
240   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
241       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
242        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2) &&
243       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
244        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
245     return cast<BinaryOperator>(V);
246   return nullptr;
247 }
248
249 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
250   unsigned i = 2;
251
252   // Assign distinct ranks to function arguments.
253   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I) {
254     ValueRankMap[&*I] = ++i;
255     DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << I->getName() << "] = " << i << "\n");
256   }
257
258   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
259   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
260          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
261     BasicBlock *BB = *I;
262     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
263
264     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
265     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
266     // all different in the block.
267     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
268       if (mayBeMemoryDependent(*I))
269         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
270   }
271 }
272
273 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
274   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
275   if (!I) {
276     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
277     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
278   }
279
280   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
281     return Rank;    // Rank already known?
282
283   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
284   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
285   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
286   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
287   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
288   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
289        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
290     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
291
292   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
293   // assures us that X and ~X will have the same rank.
294   if  (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
295        !BinaryOperator::isFNeg(I))
296     ++Rank;
297
298   DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank << "\n");
299
300   return ValueRankMap[I] = Rank;
301 }
302
303 // Canonicalize constants to RHS.  Otherwise, sort the operands by rank.
304 void Reassociate::canonicalizeOperands(Instruction *I) {
305   assert(isa<BinaryOperator>(I) && "Expected binary operator.");
306   assert(I->isCommutative() && "Expected commutative operator.");
307
308   Value *LHS = I->getOperand(0);
309   Value *RHS = I->getOperand(1);
310   unsigned LHSRank = getRank(LHS);
311   unsigned RHSRank = getRank(RHS);
312
313   if (isa<Constant>(RHS))
314     return;
315
316   if (isa<Constant>(LHS) || RHSRank < LHSRank)
317     cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
318 }
319
320 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
321                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
322   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
323     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
324   else {
325     BinaryOperator *Res =
326         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
327     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
328     return Res;
329   }
330 }
331
332 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
333                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
334   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
335     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
336   else {
337     BinaryOperator *Res =
338       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
339     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
340     return Res;
341   }
342 }
343
344 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
345                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
346   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
347     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
348   else {
349     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
350     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
351     return Res;
352   }
353 }
354
355 /// Replace 0-X with X*-1.
356 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
357   Type *Ty = Neg->getType();
358   Constant *NegOne = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
359     ConstantInt::getAllOnesValue(Ty) : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
360
361   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
362   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
363   Res->takeName(Neg);
364   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
365   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
366   return Res;
367 }
368
369 /// Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda is the Carmichael
370 /// function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
371 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
372 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
373 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
374 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
375   if (Bitwidth < 3)
376     return Bitwidth - 1;
377   return Bitwidth - 2;
378 }
379
380 /// Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
381 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
382 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
383 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
384 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
385 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
386 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
387 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
388   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
389   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
390   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
391   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
392   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
393   // weight back into range if wrapping would be wrong.
394
395   // If RHS is zero then the weight didn't change.
396   if (RHS.isMinValue())
397     return;
398   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
399   if (LHS.isMinValue()) {
400     LHS = RHS;
401     return;
402   }
403   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
404
405   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
406     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
407     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
408     // not a problem.
409     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
410     return; // Return a weight of 1.
411   }
412   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
413     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
414     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
415     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
416     return;
417   }
418   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
419     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
420     LHS += RHS;
421     return;
422   }
423
424   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
425          "Unknown associative operation!");
426   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
427   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
428   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
429   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
430   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
431   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
432   // which by a happy accident means that they can always be represented using
433   // Bitwidth bits.
434   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
435   // the Carmichael number).
436   if (Bitwidth > 3) {
437     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
438     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
439     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
440     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
441     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
442     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
443     LHS += RHS;
444     while (LHS.uge(Threshold))
445       LHS -= CM;
446   } else {
447     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
448     // a larger type.
449     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
450     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
451     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
452            "Weights not reduced!");
453     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
454     while (Total >= Threshold)
455       Total -= CM;
456     LHS = Total;
457   }
458 }
459
460 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
461
462 /// Given an associative binary expression, return the leaf
463 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
464 /// original expression is the same as
465 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
466 /// op
467 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
468 /// op
469 ///   ...
470 /// op
471 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
472 ///
473 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
474 ///
475 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
476 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
477 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
478 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
479 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
480 ///
481 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
482 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
483 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
484 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
485 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
486 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
487 /// use is a non-leaf node of the expression.
488 ///
489 /// For example:
490 ///           expression graph        node names
491 ///
492 ///                     +        |        I
493 ///                    / \       |
494 ///                   +   +      |      A,  B
495 ///                  / \ / \     |
496 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
497 ///                / \ / \ / \   |
498 ///                   +   *      |      F,  G
499 ///
500 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
501 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
502 ///
503 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
504 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
505 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
506 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
507 ///
508 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
509 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
510 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
511 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
512 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
513 /// made a change by returning 'true'.
514 ///
515 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
516 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
517 ///
518 ///                     +        |        I
519 ///                    / \       |
520 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
521 ///                  / \   \     |
522 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
523 ///                / \ / \ / \   |
524 ///                   +   *      |      F,  G
525 ///
526 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
527 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
528 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
529 /// which requires passing through a phi node.
530 ///
531 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
532 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
533 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
534 /// type and thus make the expression bigger.
535
536 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
537                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
538   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
539   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
540   unsigned Opcode = I->getOpcode();
541   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
542          "Expected an associative and commutative operation!");
543
544   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
545   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
546   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
547   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
548   // while A has weight two.
549
550   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
551   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
552   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
553   // ways to get to it.
554   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
555   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
556   bool Changed = false;
557
558   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
559   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
560   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
561   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
562   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
563   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
564   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
565   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
566   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
567   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
568   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
569   // are explored.
570
571   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
572   // paths to each leaf seen so far.
573   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
574   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
575   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
576
577 #ifndef NDEBUG
578   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
579 #endif
580   while (!Worklist.empty()) {
581     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
582     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
583
584     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
585       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
586       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
587       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
588       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
589
590       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
591       // add its operands to the expression.
592       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
593         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
594         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
595         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
596         continue;
597       }
598
599       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
600       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
601       if (It == Leaves.end()) {
602         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
603         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
604         if (!Op->hasOneUse()) {
605           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
606           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
607           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
608           LeafOrder.push_back(Op);
609           Leaves[Op] = Weight;
610           continue;
611         }
612         // No uses outside the expression, try morphing it.
613       } else if (It != Leaves.end()) {
614         // Already in the leaf map.
615         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
616
617         // Update the number of paths to the leaf.
618         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
619
620 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
621         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
622         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
623         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
624         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
625         Changed = true;
626
627         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
628         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
629         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
630         // its operands to the expression.
631         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
632           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
633           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
634           Leaves.erase(It);
635           continue;
636         }
637 #endif
638
639         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
640         // then it is not safe to modify the value.
641         if (!Op->hasOneUse())
642           continue;
643
644         // No uses outside the expression, try morphing it.
645         Weight = It->second;
646         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
647       }
648
649       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
650       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
651       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
652       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
653       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
654               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
655               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
656                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
657              "Should have been handled above!");
658       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
659
660       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
661       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
662       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
663         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
664             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
665           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
666           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
667           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
668           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
669           Changed = true;
670           continue;
671         }
672
673       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
674       // a leaf.
675       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
676       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
677       LeafOrder.push_back(Op);
678       Leaves[Op] = Weight;
679     }
680   }
681
682   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
683   // form of the expression.
684   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
685     Value *V = LeafOrder[i];
686     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
687     if (It == Leaves.end())
688       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
689       continue;
690     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
691     APInt Weight = It->second;
692     if (Weight.isMinValue())
693       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
694       continue;
695     // Ensure the leaf is only output once.
696     It->second = 0;
697     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
698   }
699
700   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
701   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
702   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
703   if (Ops.empty()) {
704     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
705     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
706     Ops.emplace_back(Identity, APInt(Bitwidth, 1));
707   }
708
709   return Changed;
710 }
711
712 /// Now that the operands for this expression tree are
713 /// linearized and optimized, emit them in-order.
714 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
715                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
716   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
717
718   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
719   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
720   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
721   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
722   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
723   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
724   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
725   // nsw flags.
726
727   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
728   /// the new expression into.
729   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
730   unsigned Opcode = I->getOpcode();
731   BinaryOperator *Op = I;
732
733   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
734   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
735   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
736   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
737   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
738   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
739   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
740   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
741   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
742   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
743   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
744   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
745     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
746
747   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
748   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
749   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
750   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
751   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
752     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
753     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
754     // a subexpression.
755     if (i+2 == Ops.size()) {
756       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
757       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
758       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
759       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
760
761       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
762         // Nothing changed, leave it alone.
763         break;
764
765       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
766         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
767         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
768         Op->swapOperands();
769         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
770         MadeChange = true;
771         ++NumChanged;
772         break;
773       }
774
775       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
776       // the old operands with the new ones.
777       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
778       if (NewLHS != OldLHS) {
779         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
780         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
781           NodesToRewrite.push_back(BO);
782         Op->setOperand(0, NewLHS);
783       }
784       if (NewRHS != OldRHS) {
785         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
786         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
787           NodesToRewrite.push_back(BO);
788         Op->setOperand(1, NewRHS);
789       }
790       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
791
792       ExpressionChanged = Op;
793       MadeChange = true;
794       ++NumChanged;
795
796       break;
797     }
798
799     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
800     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
801     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
802     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
803       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
804       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
805         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
806         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
807         Op->swapOperands();
808       } else {
809         // Overwrite with the new right-hand side.
810         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
811         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
812           NodesToRewrite.push_back(BO);
813         Op->setOperand(1, NewRHS);
814         ExpressionChanged = Op;
815       }
816       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
817       MadeChange = true;
818       ++NumChanged;
819     }
820
821     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
822     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
823     // into it.
824     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
825     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
826       Op = BO;
827       continue;
828     }
829
830     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
831     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
832     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
833     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
834     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
835     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
836     // stupid, create a new node if there are none left.
837     BinaryOperator *NewOp;
838     if (NodesToRewrite.empty()) {
839       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
840       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
841                                      Undef, Undef, "", I);
842       if (NewOp->getType()->isFPOrFPVectorTy())
843         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
844     } else {
845       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
846     }
847
848     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
849     Op->setOperand(0, NewOp);
850     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
851     ExpressionChanged = Op;
852     MadeChange = true;
853     ++NumChanged;
854     Op = NewOp;
855   }
856
857   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
858   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
859   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
860   // expression tree is dominated by all of Ops.
861   if (ExpressionChanged)
862     do {
863       // Preserve FastMathFlags.
864       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
865         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
866         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
867         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
868       } else
869         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
870
871       if (ExpressionChanged == I)
872         break;
873       ExpressionChanged->moveBefore(I);
874       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
875     } while (1);
876
877   // Throw away any left over nodes from the original expression.
878   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
879     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
880 }
881
882 /// Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
883 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
884 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
885 /// that should be processed next by the reassociation pass.
886 /// Also add intermediate instructions to the redo list that are modified while
887 /// pushing the negates through adds.  These will be revisited to see if
888 /// additional opportunities have been exposed.
889 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI,
890                           SetVector<AssertingVH<Instruction>> &ToRedo) {
891   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
892     if (C->getType()->isFPOrFPVectorTy()) {
893       return ConstantExpr::getFNeg(C);
894     }
895     return ConstantExpr::getNeg(C);
896   }
897
898
899   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
900   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
901   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
902   // this means that we turn this:
903   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
904   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
905   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
906   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
907   //
908   if (BinaryOperator *I =
909           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
910     // Push the negates through the add.
911     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI, ToRedo));
912     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI, ToRedo));
913     if (I->getOpcode() == Instruction::Add) {
914       I->setHasNoUnsignedWrap(false);
915       I->setHasNoSignedWrap(false);
916     }
917
918     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
919     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
920     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
921     // instruction we are about to insert after them.
922     //
923     I->moveBefore(BI);
924     I->setName(I->getName()+".neg");
925
926     // Add the intermediate negates to the redo list as processing them later
927     // could expose more reassociating opportunities.
928     ToRedo.insert(I);
929     return I;
930   }
931
932   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
933   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
934   for (User *U : V->users()) {
935     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
936       continue;
937
938     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
939     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
940     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
941     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
942     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
943
944     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
945     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
946       continue;
947
948     BasicBlock::iterator InsertPt;
949     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
950       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
951         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
952       } else {
953         InsertPt = ++InstInput->getIterator();
954       }
955       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
956     } else {
957       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
958     }
959     TheNeg->moveBefore(&*InsertPt);
960     if (TheNeg->getOpcode() == Instruction::Sub) {
961       TheNeg->setHasNoUnsignedWrap(false);
962       TheNeg->setHasNoSignedWrap(false);
963     } else {
964       TheNeg->andIRFlags(BI);
965     }
966     ToRedo.insert(TheNeg);
967     return TheNeg;
968   }
969
970   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
971   // negation.
972   BinaryOperator *NewNeg = CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
973   ToRedo.insert(NewNeg);
974   return NewNeg;
975 }
976
977 /// Return true if we should break up this subtract of X-Y into (X + -Y).
978 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
979   // If this is a negation, we can't split it up!
980   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
981     return false;
982
983   // Don't breakup X - undef.
984   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
985     return false;
986
987   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
988   // subtract or if this is only used by one.
989   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
990   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
991       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
992     return true;
993   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
994   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
995       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
996     return true;
997   Value *VB = Sub->user_back();
998   if (Sub->hasOneUse() &&
999       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1000        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
1001     return true;
1002
1003   return false;
1004 }
1005
1006 /// If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is only used by an
1007 /// add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better reassociation.
1008 static BinaryOperator *
1009 BreakUpSubtract(Instruction *Sub, SetVector<AssertingVH<Instruction>> &ToRedo) {
1010   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1011   // instructions to be commuted with other add instructions.
1012   //
1013   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1014   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1015   //
1016   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub, ToRedo);
1017   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1018   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1019   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1020   New->takeName(Sub);
1021
1022   // Everyone now refers to the add instruction.
1023   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1024   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1025
1026   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1027   return New;
1028 }
1029
1030 /// If this is a shift of a reassociable multiply or is used by one, change
1031 /// this into a multiply by a constant to assist with further reassociation.
1032 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1033   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1034   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1035
1036   BinaryOperator *Mul =
1037     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1038   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1039   Mul->takeName(Shl);
1040
1041   // Everyone now refers to the mul instruction.
1042   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1043   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1044
1045   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1046   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1047   // handling.
1048   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1049   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1050   if (NSW && NUW)
1051     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1052   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1053   return Mul;
1054 }
1055
1056 /// Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i
1057 /// to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This is useful when
1058 /// scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the same rank.
1059 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1060                                   Value *X) {
1061   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1062   unsigned e = Ops.size();
1063   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1064     if (Ops[j].Op == X)
1065       return j;
1066     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1067       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1068         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1069           return j;
1070   }
1071   // Scan backwards.
1072   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1073     if (Ops[j].Op == X)
1074       return j;
1075     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1076       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1077         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1078           return j;
1079   }
1080   return i;
1081 }
1082
1083 /// Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1084 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1085 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1086                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1087   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1088
1089   Value *V1 = Ops.back();
1090   Ops.pop_back();
1091   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1092   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1093 }
1094
1095 /// If V is an expression tree that is a multiplication sequence,
1096 /// and if this sequence contains a multiply by Factor,
1097 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1098 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1099   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1100   if (!BO)
1101     return nullptr;
1102
1103   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1104   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1105   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1106   Factors.reserve(Tree.size());
1107   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1108     RepeatedValue E = Tree[i];
1109     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1110                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1111   }
1112
1113   bool FoundFactor = false;
1114   bool NeedsNegate = false;
1115   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1116     if (Factors[i].Op == Factor) {
1117       FoundFactor = true;
1118       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1119       break;
1120     }
1121
1122     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1123     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1124       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1125         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1126           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1127           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1128           break;
1129         }
1130     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1131       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1132         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1133         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1134         F2.changeSign();
1135         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1136           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1137           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1138           break;
1139         }
1140       }
1141     }
1142   }
1143
1144   if (!FoundFactor) {
1145     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1146     RewriteExprTree(BO, Factors);
1147     return nullptr;
1148   }
1149
1150   BasicBlock::iterator InsertPt = ++BO->getIterator();
1151
1152   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1153   // remaining operand.
1154   if (Factors.size() == 1) {
1155     RedoInsts.insert(BO);
1156     V = Factors[0].Op;
1157   } else {
1158     RewriteExprTree(BO, Factors);
1159     V = BO;
1160   }
1161
1162   if (NeedsNegate)
1163     V = CreateNeg(V, "neg", &*InsertPt, BO);
1164
1165   return V;
1166 }
1167
1168 /// If V is a single-use multiply, recursively add its operands as factors,
1169 /// otherwise add V to the list of factors.
1170 ///
1171 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1172 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1173                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1174                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1175   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1176   if (!BO) {
1177     Factors.push_back(V);
1178     return;
1179   }
1180
1181   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1182   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1183   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1184 }
1185
1186 /// Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor' instruction.
1187 /// This optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value,
1188 /// it is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1189 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1190                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1191   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1192   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1193   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1194     // First, check for X and ~X in the operand list.
1195     assert(i < Ops.size());
1196     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1197       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1198       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1199       if (FoundX != i) {
1200         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1201           return Constant::getNullValue(X->getType());
1202
1203         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1204           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1205       }
1206     }
1207
1208     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1209     // each other, due to our sorting criteria.
1210     assert(i < Ops.size());
1211     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1212       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1213         // Drop duplicate values for And and Or.
1214         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1215         --i; --e;
1216         ++NumAnnihil;
1217         continue;
1218       }
1219
1220       // Drop pairs of values for Xor.
1221       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1222       if (e == 2)
1223         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1224
1225       // Y ^ X^X -> Y
1226       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1227       i -= 1; e -= 2;
1228       ++NumAnnihil;
1229     }
1230   }
1231   return nullptr;
1232 }
1233
1234 /// Helper function of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1235 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1236 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1237 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1238 /// be returned.
1239 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1240                              const APInt &ConstOpnd) {
1241   if (ConstOpnd != 0) {
1242     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1243       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1244       Instruction *I;
1245       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1246                                     "and.ra", InsertBefore);
1247       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1248       return I;
1249     }
1250     return Opnd;
1251   }
1252   return nullptr;
1253 }
1254
1255 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1256 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1257 //
1258 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1259 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1260 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1261 //  
1262 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1263                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1264   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1265   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1266   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1267   // It is useful only when c1 == c2.
1268   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1269     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1270       return false;
1271
1272     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1273     if (C1 != ConstOpnd)
1274       return false;
1275
1276     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1277     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1278     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1279     ConstOpnd ^= C1;
1280
1281     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1282       RedoInsts.insert(T);
1283     return true;
1284   }
1285   return false;
1286 }
1287
1288                            
1289 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1290 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1291 // symbolic value. 
1292 // 
1293 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1294 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1295 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1296 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1297 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1298                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1299   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1300   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1301     return false;
1302
1303   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1304   int DeadInstNum = 1;
1305   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1306     DeadInstNum++;
1307   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1308     DeadInstNum++;
1309
1310   // Xor-Rule 2:
1311   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1312   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1313   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1314   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1315   //
1316   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1317     if (Opnd2->isOrExpr())
1318       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1319
1320     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1321     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1322     APInt C3((~C1) ^ C2);
1323
1324     // Do not increase code size!
1325     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1326       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1327       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1328         return false;
1329     }
1330
1331     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1332     ConstOpnd ^= C1;
1333
1334   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1335     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1336     //
1337     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1338     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1339     APInt C3 = C1 ^ C2;
1340     
1341     // Do not increase code size
1342     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1343       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1344       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1345         return false;
1346     }
1347
1348     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1349     ConstOpnd ^= C3;
1350   } else {
1351     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1352     //
1353     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1354     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1355     APInt C3 = C1 ^ C2;
1356     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1357   }
1358
1359   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1360   // as dead code.
1361   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1362     RedoInsts.insert(T);
1363   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1364     RedoInsts.insert(T);
1365
1366   return true;
1367 }
1368
1369 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1370 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1371 /// necessary.
1372 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1373                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1374   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1375     return V;
1376       
1377   if (Ops.size() == 1)
1378     return nullptr;
1379
1380   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1381   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1382   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1383   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1384
1385   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1386   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1387     Value *V = Ops[i].Op;
1388     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1389       XorOpnd O(V);
1390       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1391       Opnds.push_back(O);
1392     } else
1393       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1394   }
1395
1396   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1397   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1398   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1399   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1400   //  when new elements are added to the vector.
1401   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1402     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1403
1404   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1405   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1406   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1407   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1408   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1409
1410   // Step 3: Combine adjacent operands
1411   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1412   bool Changed = false;
1413   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1414     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1415     // The combined value
1416     Value *CV;
1417
1418     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1419     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1420       Changed = true;
1421       if (CV)
1422         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1423       else {
1424         CurrOpnd->Invalidate();
1425         continue;
1426       }
1427     }
1428
1429     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1430       PrevOpnd = CurrOpnd;
1431       continue;
1432     }
1433
1434     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1435     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1436     //    
1437     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1438       // Remove previous operand
1439       PrevOpnd->Invalidate();
1440       if (CV) {
1441         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1442         PrevOpnd = CurrOpnd;
1443       } else {
1444         CurrOpnd->Invalidate();
1445         PrevOpnd = nullptr;
1446       }
1447       Changed = true;
1448     }
1449   }
1450
1451   // Step 4: Reassemble the Ops
1452   if (Changed) {
1453     Ops.clear();
1454     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1455       XorOpnd &O = Opnds[i];
1456       if (O.isInvalid())
1457         continue;
1458       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1459       Ops.push_back(VE);
1460     }
1461     if (ConstOpnd != 0) {
1462       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1463       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1464       Ops.push_back(VE);
1465     }
1466     int Sz = Ops.size();
1467     if (Sz == 1)
1468       return Ops.back().Op;
1469     else if (Sz == 0) {
1470       assert(ConstOpnd == 0);
1471       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1472     }
1473   }
1474
1475   return nullptr;
1476 }
1477
1478 /// Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1479 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1480 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1481 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1482                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1483   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1484   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1485   // scan for any
1486   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1487
1488   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1489     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1490     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1491     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1492     // that these need to be next to each other in the vector.
1493     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1494       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1495       unsigned NumFound = 0;
1496       do {
1497         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1498         ++NumFound;
1499       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1500
1501       DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1502       ++NumFactor;
1503
1504       // Insert a new multiply.
1505       Type *Ty = TheOp->getType();
1506       Constant *C = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
1507         ConstantInt::get(Ty, NumFound) : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1508       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1509
1510       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1511       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1512       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1513       RedoInsts.insert(Mul);
1514
1515       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1516       if (Ops.empty())
1517         return Mul;
1518
1519       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1520       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1521       // things being added by this operation.
1522       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1523
1524       --i;
1525       e = Ops.size();
1526       continue;
1527     }
1528
1529     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1530     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1531         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1532       continue;
1533
1534     Value *X = nullptr;
1535     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1536       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1537     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1538       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1539
1540     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1541     if (FoundX == i)
1542       continue;
1543
1544     // Remove X and -X from the operand list.
1545     if (Ops.size() == 2 &&
1546         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1547       return Constant::getNullValue(X->getType());
1548
1549     // Remove X and ~X from the operand list.
1550     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1551       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1552
1553     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1554     if (i < FoundX)
1555       --FoundX;
1556     else
1557       --i;   // Need to back up an extra one.
1558     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1559     ++NumAnnihil;
1560     --i;     // Revisit element.
1561     e -= 2;  // Removed two elements.
1562
1563     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1564     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1565       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1566       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1567       e += 1;
1568     }
1569   }
1570
1571   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1572   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1573   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1574   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1575   // for any ADD operands that are MULs.
1576   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1577
1578   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1579   // where they are actually the same multiply.
1580   unsigned MaxOcc = 0;
1581   Value *MaxOccVal = nullptr;
1582   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1583     BinaryOperator *BOp =
1584         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1585     if (!BOp)
1586       continue;
1587
1588     // Compute all of the factors of this added value.
1589     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1590     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1591     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1592
1593     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1594     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1595     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1596       Value *Factor = Factors[i];
1597       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1598         continue;
1599
1600       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1601       if (Occ > MaxOcc) {
1602         MaxOcc = Occ;
1603         MaxOccVal = Factor;
1604       }
1605
1606       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1607       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1608       // cannot be positivified.
1609       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1610         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1611           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1612           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1613                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1614           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1615           if (Occ > MaxOcc) {
1616             MaxOcc = Occ;
1617             MaxOccVal = Factor;
1618           }
1619         }
1620       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1621         if (CF->isNegative()) {
1622           APFloat F(CF->getValueAPF());
1623           F.changeSign();
1624           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1625           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1626                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1627           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1628           if (Occ > MaxOcc) {
1629             MaxOcc = Occ;
1630             MaxOccVal = Factor;
1631           }
1632         }
1633       }
1634     }
1635   }
1636
1637   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1638   if (MaxOcc > 1) {
1639     DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1640     ++NumFactor;
1641
1642     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1643     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1644     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1645     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1646     Instruction *DummyInst =
1647         I->getType()->isIntOrIntVectorTy()
1648             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1649             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1650
1651     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1652     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1653       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1654       BinaryOperator *BOp =
1655           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1656       if (!BOp)
1657         continue;
1658
1659       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1660         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1661         // one fell swoop.
1662         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1663           --j;
1664           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1665             NewMulOps.push_back(V);
1666             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1667           }
1668         }
1669         --i;
1670       }
1671     }
1672
1673     // No need for extra uses anymore.
1674     delete DummyInst;
1675
1676     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1677     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1678
1679     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1680     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1681     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1682     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1683     (void)NumAddedValues;
1684     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1685       RedoInsts.insert(VI);
1686
1687     // Create the multiply.
1688     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1689
1690     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1691     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1692     RedoInsts.insert(V2);
1693
1694     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1695     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1696     if (Ops.empty())
1697       return V2;
1698
1699     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1700     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1701     // things being added by this operation.
1702     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1703   }
1704
1705   return nullptr;
1706 }
1707
1708 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1709 ///
1710 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1711 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1712 /// the order of descending power.
1713 ///
1714 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1715 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1716 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1717 ///
1718 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1719 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1720                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1721   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1722   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1723   unsigned FactorPowerSum = 0;
1724   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1725     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1726
1727     // Count the number of occurrences of this value.
1728     unsigned Count = 1;
1729     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1730       ++Count;
1731     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1732     if (Count > 1)
1733       FactorPowerSum += Count;
1734   }
1735
1736   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1737   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1738   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1739   // trying to simplify already minimal formations.
1740   if (FactorPowerSum < 4)
1741     return false;
1742
1743   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1744   FactorPowerSum = 0;
1745   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1746     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1747
1748     // Count the number of occurrences of this value.
1749     unsigned Count = 1;
1750     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1751       ++Count;
1752     if (Count == 1)
1753       continue;
1754     // Move an even number of occurrences to Factors.
1755     Count &= ~1U;
1756     Idx -= Count;
1757     FactorPowerSum += Count;
1758     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1759     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1760   }
1761
1762   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1763   // below our mininum of '4'.
1764   assert(FactorPowerSum >= 4);
1765
1766   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1767   return true;
1768 }
1769
1770 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1771 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1772                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1773   if (Ops.size() == 1)
1774     return Ops.back();
1775
1776   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1777   do {
1778     if (LHS->getType()->isIntOrIntVectorTy())
1779       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1780     else
1781       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1782   } while (!Ops.empty());
1783
1784   return LHS;
1785 }
1786
1787 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1788 ///
1789 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1790 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1791 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1792 /// value.
1793 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1794                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1795   assert(Factors[0].Power);
1796   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1797   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1798        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1799     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1800       LastIdx = Idx;
1801       continue;
1802     }
1803
1804     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1805     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1806     // for that.
1807     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1808     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1809     do {
1810       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1811       ++Idx;
1812     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1813
1814     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1815     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1816     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1817     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1818       RedoInsts.insert(MI);
1819
1820     LastIdx = Idx;
1821   }
1822   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1823   // base.
1824   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1825                             Factor::PowerEqual()),
1826                 Factors.end());
1827
1828   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1829   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1830   // expression.
1831   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1832     if (Factors[Idx].Power & 1)
1833       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1834     Factors[Idx].Power >>= 1;
1835   }
1836   if (Factors[0].Power) {
1837     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1838     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1839     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1840   }
1841   if (OuterProduct.size() == 1)
1842     return OuterProduct.front();
1843
1844   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1845   return V;
1846 }
1847
1848 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1849                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1850   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1851   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1852   if (Ops.size() < 4)
1853     return nullptr;
1854
1855   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1856   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1857   // re-use.
1858   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1859   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1860     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1861
1862   IRBuilder<> Builder(I);
1863   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1864   if (Ops.empty())
1865     return V;
1866
1867   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1868   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1869   return nullptr;
1870 }
1871
1872 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1873                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1874   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1875   // Start by folding any constants that we found.
1876   Constant *Cst = nullptr;
1877   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1878   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1879     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1880     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1881   }
1882   // If there was nothing but constants then we are done.
1883   if (Ops.empty())
1884     return Cst;
1885
1886   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1887   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1888   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1889   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1890     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1891       return Cst;
1892     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1893   }
1894
1895   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1896
1897   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1898   // argument list here.
1899   unsigned NumOps = Ops.size();
1900   switch (Opcode) {
1901   default: break;
1902   case Instruction::And:
1903   case Instruction::Or:
1904     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1905       return Result;
1906     break;
1907
1908   case Instruction::Xor:
1909     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1910       return Result;
1911     break;
1912
1913   case Instruction::Add:
1914   case Instruction::FAdd:
1915     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1916       return Result;
1917     break;
1918
1919   case Instruction::Mul:
1920   case Instruction::FMul:
1921     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1922       return Result;
1923     break;
1924   }
1925
1926   if (Ops.size() != NumOps)
1927     return OptimizeExpression(I, Ops);
1928   return nullptr;
1929 }
1930
1931 // Remove dead instructions and if any operands are trivially dead add them to
1932 // Insts so they will be removed as well.
1933 void Reassociate::RecursivelyEraseDeadInsts(
1934     Instruction *I, SetVector<AssertingVH<Instruction>> &Insts) {
1935   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1936   SmallVector<Value *, 4> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1937   ValueRankMap.erase(I);
1938   Insts.remove(I);
1939   RedoInsts.remove(I);
1940   I->eraseFromParent();
1941   for (auto Op : Ops)
1942     if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(Op))
1943       if (OpInst->use_empty())
1944         Insts.insert(OpInst);
1945 }
1946
1947 /// Zap the given instruction, adding interesting operands to the work list.
1948 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1949   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1950   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1951   // Erase the dead instruction.
1952   ValueRankMap.erase(I);
1953   RedoInsts.remove(I);
1954   I->eraseFromParent();
1955   // Optimize its operands.
1956   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1957   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1958     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1959       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1960       // and add that since that's where optimization actually happens.
1961       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1962       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1963              Visited.insert(Op).second)
1964         Op = Op->user_back();
1965       RedoInsts.insert(Op);
1966     }
1967 }
1968
1969 // Canonicalize expressions of the following form:
1970 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1971 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1972 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1973   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1974     return nullptr;
1975
1976   // Must be a fmul or fdiv instruction.
1977   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1978   if (Opcode != Instruction::FMul && Opcode != Instruction::FDiv)
1979     return nullptr;
1980
1981   auto *C0 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(0));
1982   auto *C1 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(1));
1983
1984   // Both operands are constant, let it get constant folded away.
1985   if (C0 && C1)
1986     return nullptr;
1987
1988   ConstantFP *CF = C0 ? C0 : C1;
1989
1990   // Must have one constant operand.
1991   if (!CF)
1992     return nullptr;
1993
1994   // Must be a negative ConstantFP.
1995   if (!CF->isNegative())
1996     return nullptr;
1997
1998   // User must be a binary operator with one or more uses.
1999   Instruction *User = I->user_back();
2000   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->hasNUsesOrMore(1))
2001     return nullptr;
2002
2003   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
2004   if (UserOpcode != Instruction::FAdd && UserOpcode != Instruction::FSub)
2005     return nullptr;
2006
2007   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
2008   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
2009   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
2010     return nullptr;
2011
2012   // Change the sign of the constant.
2013   APFloat Val = CF->getValueAPF();
2014   Val.changeSign();
2015   I->setOperand(C0 ? 0 : 1, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2016
2017   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2018   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2019   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2020     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2021
2022   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2023   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2024   BinaryOperator *NI;
2025   switch (UserOpcode) {
2026   default:
2027     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2028   case Instruction::FAdd:
2029     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2030     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2031     break;
2032   case Instruction::FSub:
2033     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2034     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2035     break;
2036   }
2037
2038   NI->insertBefore(User);
2039   NI->setName(User->getName());
2040   User->replaceAllUsesWith(NI);
2041   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2042   RedoInsts.insert(I);
2043   MadeChange = true;
2044   return NI;
2045 }
2046
2047 /// Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2048 /// instructions is not allowed.
2049 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2050   // Only consider operations that we understand.
2051   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2052     return;
2053
2054   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2055     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2056     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2057     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2058         (I->hasOneUse() &&
2059          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2060           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2061       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2062       RedoInsts.insert(I);
2063       MadeChange = true;
2064       I = NI;
2065     }
2066
2067   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2068   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2069     I = Res;
2070
2071   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2072   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2073   // transformations simpler.
2074   if (I->isCommutative())
2075     canonicalizeOperands(I);
2076
2077   // TODO: We should optimize vector Xor instructions, but they are
2078   // currently unsupported.
2079   if (I->getType()->isVectorTy() && I->getOpcode() == Instruction::Xor)
2080     return;
2081
2082   // Don't optimize floating point instructions that don't have unsafe algebra.
2083   if (I->getType()->isFPOrFPVectorTy() && !I->hasUnsafeAlgebra())
2084     return;
2085
2086   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2087   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2088   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2089   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2090   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2091   // optimized for the most likely conditions.
2092   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2093     return;
2094
2095   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2096   // see if we can convert it to X+-Y.
2097   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2098     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2099       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I, RedoInsts);
2100       RedoInsts.insert(I);
2101       MadeChange = true;
2102       I = NI;
2103     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2104       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2105       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2106       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2107           (!I->hasOneUse() ||
2108            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2109         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2110         // If the negate was simplified, revisit the users to see if we can
2111         // reassociate further.
2112         for (User *U : NI->users()) {
2113           if (BinaryOperator *Tmp = dyn_cast<BinaryOperator>(U))
2114             RedoInsts.insert(Tmp);
2115         }
2116         RedoInsts.insert(I);
2117         MadeChange = true;
2118         I = NI;
2119       }
2120     }
2121   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2122     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2123       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I, RedoInsts);
2124       RedoInsts.insert(I);
2125       MadeChange = true;
2126       I = NI;
2127     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2128       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2129       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2130       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2131           (!I->hasOneUse() ||
2132            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2133         // If the negate was simplified, revisit the users to see if we can
2134         // reassociate further.
2135         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2136         for (User *U : NI->users()) {
2137           if (BinaryOperator *Tmp = dyn_cast<BinaryOperator>(U))
2138             RedoInsts.insert(Tmp);
2139         }
2140         RedoInsts.insert(I);
2141         MadeChange = true;
2142         I = NI;
2143       }
2144     }
2145   }
2146
2147   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2148   if (!I->isAssociative()) return;
2149   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2150
2151   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2152   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2153   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2154   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode) {
2155     // During the initial run we will get to the root of the tree.
2156     // But if we get here while we are redoing instructions, there is no
2157     // guarantee that the root will be visited. So Redo later
2158     if (BO->user_back() != BO &&
2159         BO->getParent() == BO->user_back()->getParent())
2160       RedoInsts.insert(BO->user_back());
2161     return;
2162   }
2163
2164   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2165   // until we process the subtract.
2166   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2167       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2168     return;
2169   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2170       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2171     return;
2172
2173   ReassociateExpression(BO);
2174 }
2175
2176 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2177   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2178   // operand information.
2179   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2180   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2181   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2182   Ops.reserve(Tree.size());
2183   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2184     RepeatedValue E = Tree[i];
2185     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2186                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2187   }
2188
2189   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2190
2191   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2192   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2193   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2194   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2195   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2196   // the vector.
2197   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2198
2199   // Now that we have the expression tree in a convenient
2200   // sorted form, optimize it globally if possible.
2201   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2202     if (V == I)
2203       // Self-referential expression in unreachable code.
2204       return;
2205     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2206     // eliminate it.
2207     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2208     I->replaceAllUsesWith(V);
2209     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2210       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2211     RedoInsts.insert(I);
2212     ++NumAnnihil;
2213     return;
2214   }
2215
2216   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2217   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2218   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2219   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2220   if (I->hasOneUse()) {
2221     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2222         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2223         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2224         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2225       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2226       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2227     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2228                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2229                    Instruction::FAdd &&
2230                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2231                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2232       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2233       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2234     }
2235   }
2236
2237   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2238
2239   if (Ops.size() == 1) {
2240     if (Ops[0].Op == I)
2241       // Self-referential expression in unreachable code.
2242       return;
2243
2244     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2245     // eliminate it.
2246     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2247     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2248       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2249     RedoInsts.insert(I);
2250     return;
2251   }
2252
2253   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2254   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2255   RewriteExprTree(I, Ops);
2256 }
2257
2258 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2259   if (skipOptnoneFunction(F))
2260     return false;
2261
2262   // Calculate the rank map for F
2263   BuildRankMap(F);
2264
2265   MadeChange = false;
2266   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2267     // Optimize every instruction in the basic block.
2268     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2269       if (isInstructionTriviallyDead(&*II)) {
2270         EraseInst(&*II++);
2271       } else {
2272         OptimizeInst(&*II);
2273         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2274         ++II;
2275       }
2276
2277     // Make a copy of all the instructions to be redone so we can remove dead
2278     // instructions.
2279     SetVector<AssertingVH<Instruction>> ToRedo(RedoInsts);
2280     // Iterate over all instructions to be reevaluated and remove trivially dead
2281     // instructions. If any operand of the trivially dead instruction becomes
2282     // dead mark it for deletion as well. Continue this process until all
2283     // trivially dead instructions have been removed.
2284     while (!ToRedo.empty()) {
2285       Instruction *I = ToRedo.pop_back_val();
2286       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2287         RecursivelyEraseDeadInsts(I, ToRedo);
2288     }
2289
2290     // Now that we have removed dead instructions, we can reoptimize the
2291     // remaining instructions.
2292     while (!RedoInsts.empty()) {
2293       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2294       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2295         EraseInst(I);
2296       else
2297         OptimizeInst(I);
2298     }
2299   }
2300
2301   // We are done with the rank map.
2302   RankMap.clear();
2303   ValueRankMap.clear();
2304
2305   return MadeChange;
2306 }