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