fix PR9215, preventing -reassociate from clearing nsw/nuw when
[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/Constants.h"
26 #include "llvm/DerivedTypes.h"
27 #include "llvm/Function.h"
28 #include "llvm/Instructions.h"
29 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
30 #include "llvm/Pass.h"
31 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
32 #include "llvm/Support/CFG.h"
33 #include "llvm/Support/Debug.h"
34 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
35 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
36 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
37 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include <algorithm>
40 using namespace llvm;
41
42 STATISTIC(NumLinear , "Number of insts linearized");
43 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
44 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
45 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
46
47 namespace {
48   struct ValueEntry {
49     unsigned Rank;
50     Value *Op;
51     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
52   };
53   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
54     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
55   }
56 }
57
58 #ifndef NDEBUG
59 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
60 ///
61 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
62   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
63   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
64        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
65   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
66     dbgs() << "[ ";
67     WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, false, M);
68     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
69   }
70 }
71 #endif
72   
73 namespace {
74   class Reassociate : public FunctionPass {
75     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
76     DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> ValueRankMap;
77     bool MadeChange;
78   public:
79     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
80     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
81       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
82     }
83
84     bool runOnFunction(Function &F);
85
86     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
87       AU.setPreservesCFG();
88     }
89   private:
90     void BuildRankMap(Function &F);
91     unsigned getRank(Value *V);
92     Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
93     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
94                          unsigned Idx = 0);
95     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
96                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
97     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
98     void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
99     void LinearizeExpr(BinaryOperator *I);
100     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
101     void ReassociateBB(BasicBlock *BB);
102     
103     void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
104   };
105 }
106
107 char Reassociate::ID = 0;
108 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
109                 "Reassociate expressions", false, false)
110
111 // Public interface to the Reassociate pass
112 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
113
114 void Reassociate::RemoveDeadBinaryOp(Value *V) {
115   Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(V);
116   if (!Op || !isa<BinaryOperator>(Op) || !Op->use_empty())
117     return;
118   
119   Value *LHS = Op->getOperand(0), *RHS = Op->getOperand(1);
120   
121   ValueRankMap.erase(Op);
122   Op->eraseFromParent();
123   RemoveDeadBinaryOp(LHS);
124   RemoveDeadBinaryOp(RHS);
125 }
126
127
128 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
129   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
130       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
131       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
132       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
133       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
134        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
135       I->getOpcode() == Instruction::UDiv || 
136       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
137       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
138       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
139       I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
140       I->getOpcode() == Instruction::FRem)
141     return true;
142   return false;
143 }
144
145 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
146   unsigned i = 2;
147
148   // Assign distinct ranks to function arguments
149   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
150     ValueRankMap[&*I] = ++i;
151
152   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
153   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
154          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
155     BasicBlock *BB = *I;
156     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
157
158     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
159     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
160     // all different in the block.
161     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
162       if (isUnmovableInstruction(I))
163         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
164   }
165 }
166
167 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
168   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
169   if (I == 0) {
170     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
171     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
172   }
173
174   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
175     return Rank;    // Rank already known?
176
177   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
178   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
179   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
180   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
181   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
182   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
183        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
184     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
185
186   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
187   // assures us that X and ~X will have the same rank.
188   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
189       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
190     ++Rank;
191
192   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
193   //     << Rank << "\n");
194
195   return ValueRankMap[I] = Rank;
196 }
197
198 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
199 /// opcode and if it only has one use.
200 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
201   if ((V->hasOneUse() || V->use_empty()) && isa<Instruction>(V) &&
202       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
203     return cast<BinaryOperator>(V);
204   return 0;
205 }
206
207 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
208 ///
209 static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg,
210                               DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap) {
211   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
212
213   Instruction *Res = BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
214   ValueRankMap.erase(Neg);
215   Res->takeName(Neg);
216   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
217   Neg->eraseFromParent();
218   return Res;
219 }
220
221 // Given an expression of the form '(A+B)+(D+C)', turn it into '(((A+B)+C)+D)'.
222 // Note that if D is also part of the expression tree that we recurse to
223 // linearize it as well.  Besides that case, this does not recurse into A,B, or
224 // C.
225 void Reassociate::LinearizeExpr(BinaryOperator *I) {
226   BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
227   BinaryOperator *RHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(1));
228   assert(isReassociableOp(LHS, I->getOpcode()) &&
229          isReassociableOp(RHS, I->getOpcode()) &&
230          "Not an expression that needs linearization?");
231
232   DEBUG(dbgs() << "Linear" << *LHS << '\n' << *RHS << '\n' << *I << '\n');
233
234   // Move the RHS instruction to live immediately before I, avoiding breaking
235   // dominator properties.
236   RHS->moveBefore(I);
237
238   // Move operands around to do the linearization.
239   I->setOperand(1, RHS->getOperand(0));
240   RHS->setOperand(0, LHS);
241   I->setOperand(0, RHS);
242
243   // Conservatively clear all the optional flags, which may not hold
244   // after the reassociation.
245   I->clearSubclassOptionalData();
246   LHS->clearSubclassOptionalData();
247   RHS->clearSubclassOptionalData();
248
249   ++NumLinear;
250   MadeChange = true;
251   DEBUG(dbgs() << "Linearized: " << *I << '\n');
252
253   // If D is part of this expression tree, tail recurse.
254   if (isReassociableOp(I->getOperand(1), I->getOpcode()))
255     LinearizeExpr(I);
256 }
257
258
259 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression tree, traverse
260 /// all of the uses putting it into canonical form.  This forces a left-linear
261 /// form of the expression (((a+b)+c)+d), and collects information about the
262 /// rank of the non-tree operands.
263 ///
264 /// NOTE: These intentionally destroys the expression tree operands (turning
265 /// them into undef values) to reduce #uses of the values.  This means that the
266 /// caller MUST use something like RewriteExprTree to put the values back in.
267 ///
268 void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
269                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
270   Value *LHS = I->getOperand(0), *RHS = I->getOperand(1);
271   unsigned Opcode = I->getOpcode();
272
273   // First step, linearize the expression if it is in ((A+B)+(C+D)) form.
274   BinaryOperator *LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
275   BinaryOperator *RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
276
277   // If this is a multiply expression tree and it contains internal negations,
278   // transform them into multiplies by -1 so they can be reassociated.
279   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul) {
280     if (!LHSBO && LHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(LHS)) {
281       LHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(LHS), ValueRankMap);
282       LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
283     }
284     if (!RHSBO && RHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(RHS)) {
285       RHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(RHS), ValueRankMap);
286       RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
287     }
288   }
289
290   if (!LHSBO) {
291     if (!RHSBO) {
292       // Neither the LHS or RHS as part of the tree, thus this is a leaf.  As
293       // such, just remember these operands and their rank.
294       Ops.push_back(ValueEntry(getRank(LHS), LHS));
295       Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
296       
297       // Clear the leaves out.
298       I->setOperand(0, UndefValue::get(I->getType()));
299       I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
300       return;
301     }
302     
303     // Turn X+(Y+Z) -> (Y+Z)+X
304     std::swap(LHSBO, RHSBO);
305     std::swap(LHS, RHS);
306     bool Success = !I->swapOperands();
307     assert(Success && "swapOperands failed");
308     Success = false;
309     MadeChange = true;
310   } else if (RHSBO) {
311     // Turn (A+B)+(C+D) -> (((A+B)+C)+D).  This guarantees the RHS is not
312     // part of the expression tree.
313     LinearizeExpr(I);
314     LHS = LHSBO = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
315     RHS = I->getOperand(1);
316     RHSBO = 0;
317   }
318
319   // Okay, now we know that the LHS is a nested expression and that the RHS is
320   // not.  Perform reassociation.
321   assert(!isReassociableOp(RHS, Opcode) && "LinearizeExpr failed!");
322
323   // Move LHS right before I to make sure that the tree expression dominates all
324   // values.
325   LHSBO->moveBefore(I);
326
327   // Linearize the expression tree on the LHS.
328   LinearizeExprTree(LHSBO, Ops);
329
330   // Remember the RHS operand and its rank.
331   Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
332   
333   // Clear the RHS leaf out.
334   I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
335 }
336
337 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
338 // linearized and optimized, emit them in-order.  This function is written to be
339 // tail recursive.
340 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
341                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
342                                   unsigned i) {
343   if (i+2 == Ops.size()) {
344     if (I->getOperand(0) != Ops[i].Op ||
345         I->getOperand(1) != Ops[i+1].Op) {
346       Value *OldLHS = I->getOperand(0);
347       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
348       I->setOperand(0, Ops[i].Op);
349       I->setOperand(1, Ops[i+1].Op);
350
351       // Clear all the optional flags, which may not hold after the
352       // reassociation if the expression involved more than just this operation.
353       if (Ops.size() != 2)
354         I->clearSubclassOptionalData();
355
356       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
357       MadeChange = true;
358       ++NumChanged;
359       
360       // If we reassociated a tree to fewer operands (e.g. (1+a+2) -> (a+3)
361       // delete the extra, now dead, nodes.
362       RemoveDeadBinaryOp(OldLHS);
363     }
364     return;
365   }
366   assert(i+2 < Ops.size() && "Ops index out of range!");
367
368   if (I->getOperand(1) != Ops[i].Op) {
369     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
370     I->setOperand(1, Ops[i].Op);
371
372     // Conservatively clear all the optional flags, which may not hold
373     // after the reassociation.
374     I->clearSubclassOptionalData();
375
376     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
377     MadeChange = true;
378     ++NumChanged;
379   }
380   
381   BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
382   assert(LHS->getOpcode() == I->getOpcode() &&
383          "Improper expression tree!");
384   
385   // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
386   // that the expression tree is dominated by all of Ops.
387   LHS->moveBefore(I);
388   RewriteExprTree(LHS, Ops, i+1);
389 }
390
391
392
393 // NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
394 // that computes the negative version of the value specified.  The negative
395 // version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
396 // that should be processed next by the reassociation pass.
397 //
398 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
399   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
400     return ConstantExpr::getNeg(C);
401   
402   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
403   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
404   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
405   // this means that we turn this:
406   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
407   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
408   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
409   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
410   //
411   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
412     if (I->getOpcode() == Instruction::Add && I->hasOneUse()) {
413       // Push the negates through the add.
414       I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
415       I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
416
417       // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
418       // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
419       // assured that the neg instructions we just inserted dominate the 
420       // instruction we are about to insert after them.
421       //
422       I->moveBefore(BI);
423       I->setName(I->getName()+".neg");
424       return I;
425     }
426   
427   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
428   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
429   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
430     User *U = *UI;
431     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
432
433     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
434     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
435     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
436     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
437     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
438
439     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
440     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
441       continue;
442     
443     BasicBlock::iterator InsertPt;
444     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
445       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
446         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
447       } else {
448         InsertPt = InstInput;
449         ++InsertPt;
450       }
451       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
452     } else {
453       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
454     }
455     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
456     return TheNeg;
457   }
458
459   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
460   // negation.
461   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
462 }
463
464 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
465 /// X-Y into (X + -Y).
466 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
467   // If this is a negation, we can't split it up!
468   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
469     return false;
470   
471   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
472   // subtract or if this is only used by one.
473   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
474       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
475     return true;
476   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
477       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
478     return true;
479   if (Sub->hasOneUse() && 
480       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
481        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
482     return true;
483     
484   return false;
485 }
486
487 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
488 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
489 /// reassociation.
490 static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
491                               DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap) {
492   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
493   // instructions to be commuted with other add instructions.
494   //
495   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
496   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
497   //
498   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
499   Instruction *New =
500     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
501   New->takeName(Sub);
502
503   // Everyone now refers to the add instruction.
504   ValueRankMap.erase(Sub);
505   Sub->replaceAllUsesWith(New);
506   Sub->eraseFromParent();
507
508   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
509   return New;
510 }
511
512 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
513 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
514 /// reassociation.
515 static Instruction *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl, 
516                               DenseMap<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap) {
517   // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
518   // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
519   if (isReassociableOp(Shl->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
520       (Shl->hasOneUse() && 
521        (isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Mul) ||
522         isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Add)))) {
523     Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
524     MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
525     
526     Instruction *Mul =
527       BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
528     ValueRankMap.erase(Shl);
529     Mul->takeName(Shl);
530     Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
531     Shl->eraseFromParent();
532     return Mul;
533   }
534   return 0;
535 }
536
537 // Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i to
538 // see if X exists.  If X does not exist, return i.  This is useful when
539 // scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the same rank.
540 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
541                                   Value *X) {
542   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
543   unsigned e = Ops.size();
544   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
545     if (Ops[j].Op == X)
546       return j;
547   // Scan backwards.
548   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
549     if (Ops[j].Op == X)
550       return j;
551   return i;
552 }
553
554 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
555 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
556 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I, SmallVectorImpl<Value*> &Ops){
557   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
558   
559   Value *V1 = Ops.back();
560   Ops.pop_back();
561   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
562   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
563 }
564
565 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a 
566 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
567 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
568 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
569   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
570   if (!BO) return 0;
571   
572   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
573   LinearizeExprTree(BO, Factors);
574
575   bool FoundFactor = false;
576   bool NeedsNegate = false;
577   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
578     if (Factors[i].Op == Factor) {
579       FoundFactor = true;
580       Factors.erase(Factors.begin()+i);
581       break;
582     }
583     
584     // If this is a negative version of this factor, remove it.
585     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
586       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
587         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
588           FoundFactor = NeedsNegate = true;
589           Factors.erase(Factors.begin()+i);
590           break;
591         }
592   }
593   
594   if (!FoundFactor) {
595     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
596     RewriteExprTree(BO, Factors);
597     return 0;
598   }
599   
600   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
601   
602   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
603   // remaining operand.
604   if (Factors.size() == 1) {
605     ValueRankMap.erase(BO);
606     BO->eraseFromParent();
607     V = Factors[0].Op;
608   } else {
609     RewriteExprTree(BO, Factors);
610     V = BO;
611   }
612   
613   if (NeedsNegate)
614     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
615   
616   return V;
617 }
618
619 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
620 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
621 ///
622 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
623 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
624                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
625                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
626                                          bool IsRoot) {
627   BinaryOperator *BO;
628   if (!(V->hasOneUse() || V->use_empty()) || // More than one use.
629       !(BO = dyn_cast<BinaryOperator>(V)) ||
630       BO->getOpcode() != Instruction::Mul) {
631     Factors.push_back(V);
632     return;
633   }
634   
635   // If this value has a single use because it is another input to the add
636   // tree we're reassociating and we dropped its use, it actually has two
637   // uses and we can't factor it.
638   if (!IsRoot) {
639     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
640       if (Ops[i].Op == V) {
641         Factors.push_back(V);
642         return;
643       }
644   }
645   
646   
647   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
648   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops, false);
649   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops, false);
650 }
651
652 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
653 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
654 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
655 /// necessary.
656 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
657                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
658   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
659   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
660   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
661     // First, check for X and ~X in the operand list.
662     assert(i < Ops.size());
663     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
664       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
665       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
666       if (FoundX != i) {
667         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
668           return Constant::getNullValue(X->getType());
669         
670         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
671           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
672       }
673     }
674     
675     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
676     // each other, due to our sorting criteria.
677     assert(i < Ops.size());
678     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
679       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
680         // Drop duplicate values for And and Or.
681         Ops.erase(Ops.begin()+i);
682         --i; --e;
683         ++NumAnnihil;
684         continue;
685       }
686       
687       // Drop pairs of values for Xor.
688       assert(Opcode == Instruction::Xor);
689       if (e == 2)
690         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
691       
692       // Y ^ X^X -> Y
693       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
694       i -= 1; e -= 2;
695       ++NumAnnihil;
696     }
697   }
698   return 0;
699 }
700
701 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
702 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
703 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
704 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
705                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
706   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
707   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
708   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
709   //
710   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
711   //
712   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
713     Value *TheOp = Ops[i].Op;
714     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
715     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
716     // that these need to be next to each other in the vector.
717     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
718       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
719       unsigned NumFound = 0;
720       do {
721         Ops.erase(Ops.begin()+i);
722         ++NumFound;
723       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
724       
725       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
726       ++NumFactor;
727       
728       // Insert a new multiply.
729       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
730       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
731       
732       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
733       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
734       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
735       Mul = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(Mul));
736       
737       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
738       if (Ops.empty())
739         return Mul;
740       
741       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
742       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
743       // things being added by this operation.
744       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
745       
746       --i;
747       e = Ops.size();
748       continue;
749     }
750     
751     // Check for X and -X in the operand list.
752     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
753       continue;
754     
755     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
756     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
757     if (FoundX == i)
758       continue;
759     
760     // Remove X and -X from the operand list.
761     if (Ops.size() == 2)
762       return Constant::getNullValue(X->getType());
763     
764     Ops.erase(Ops.begin()+i);
765     if (i < FoundX)
766       --FoundX;
767     else
768       --i;   // Need to back up an extra one.
769     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
770     ++NumAnnihil;
771     --i;     // Revisit element.
772     e -= 2;  // Removed two elements.
773   }
774   
775   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
776   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
777   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
778   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
779   // for any ADD operands that are MULs.
780   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
781   
782   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
783   // where they are actually the same multiply.
784   unsigned MaxOcc = 0;
785   Value *MaxOccVal = 0;
786   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
787     BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
788     if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
789       continue;
790     
791     // Compute all of the factors of this added value.
792     SmallVector<Value*, 8> Factors;
793     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops, true);
794     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
795     
796     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
797     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
798     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
799       Value *Factor = Factors[i];
800       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
801       
802       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
803       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
804       
805       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
806       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
807       // cannot be positivified.
808       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
809         if (CI->getValue().isNegative() && !CI->getValue().isMinSignedValue()) {
810           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
811           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
812                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
813           
814           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
815           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
816         }
817     }
818   }
819   
820   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
821   if (MaxOcc > 1) {
822     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
823     ++NumFactor;
824
825     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
826     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
827     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause 
828     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
829     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
830     SmallVector<Value*, 4> NewMulOps;
831     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
832       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
833       BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
834       if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
835         continue;
836       
837       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
838         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
839         // one fell swoop.
840         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
841           --j;
842           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
843             NewMulOps.push_back(V);
844             Ops.erase(Ops.begin()+j);
845           }
846         }
847         --i;
848       }
849     }
850     
851     // No need for extra uses anymore.
852     delete DummyInst;
853
854     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
855     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
856
857     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
858     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
859     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
860     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
861     (void)NumAddedValues;
862     V = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V));
863
864     // Create the multiply.
865     Value *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
866
867     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
868     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
869     V2 = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V2));
870     
871     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
872     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
873     if (Ops.empty())
874       return V2;
875     
876     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
877     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
878     // things being added by this operation.
879     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
880   }
881   
882   return 0;
883 }
884
885 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
886                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
887   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
888   // Start by folding any constants that we found.
889   bool IterateOptimization = false;
890   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
891
892   unsigned Opcode = I->getOpcode();
893   
894   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
895     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
896       Ops.pop_back();
897       Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
898       return OptimizeExpression(I, Ops);
899     }
900
901   // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
902   if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
903     switch (Opcode) {
904     default: break;
905     case Instruction::And:
906       if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
907         return CstVal;
908       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
909         Ops.pop_back();
910       break;
911     case Instruction::Mul:
912       if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
913         ++NumAnnihil;
914         return CstVal;
915       }
916         
917       if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
918         Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
919       break;
920     case Instruction::Or:
921       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
922         return CstVal;
923       // FALLTHROUGH!
924     case Instruction::Add:
925     case Instruction::Xor:
926       if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
927         Ops.pop_back();
928       break;
929     }
930   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
931
932   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
933   // argument list here.
934   switch (Opcode) {
935   default: break;
936   case Instruction::And:
937   case Instruction::Or:
938   case Instruction::Xor: {
939     unsigned NumOps = Ops.size();
940     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
941       return Result;
942     IterateOptimization |= Ops.size() != NumOps;
943     break;
944   }
945
946   case Instruction::Add: {
947     unsigned NumOps = Ops.size();
948     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
949       return Result;
950     IterateOptimization |= Ops.size() != NumOps;
951   }
952
953     break;
954   //case Instruction::Mul:
955   }
956
957   if (IterateOptimization)
958     return OptimizeExpression(I, Ops);
959   return 0;
960 }
961
962
963 /// ReassociateBB - Inspect all of the instructions in this basic block,
964 /// reassociating them as we go.
965 void Reassociate::ReassociateBB(BasicBlock *BB) {
966   for (BasicBlock::iterator BBI = BB->begin(); BBI != BB->end(); ) {
967     Instruction *BI = BBI++;
968     if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
969         isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
970       if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI, ValueRankMap)) {
971         MadeChange = true;
972         BI = NI;
973       }
974
975     // Reject cases where it is pointless to do this.
976     if (!isa<BinaryOperator>(BI) || BI->getType()->isFloatingPointTy() || 
977         BI->getType()->isVectorTy())
978       continue;  // Floating point ops are not associative.
979
980     // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
981     // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
982     // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
983     // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
984     // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
985     // optimized for the most likely conditions.
986     if (BI->getType()->isIntegerTy(1))
987       continue;
988
989     // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
990     // see if we can convert it to X+-Y.
991     if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub) {
992       if (ShouldBreakUpSubtract(BI)) {
993         BI = BreakUpSubtract(BI, ValueRankMap);
994         // Reset the BBI iterator in case BreakUpSubtract changed the
995         // instruction it points to.
996         BBI = BI;
997         ++BBI;
998         MadeChange = true;
999       } else if (BinaryOperator::isNeg(BI)) {
1000         // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1001         // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1002         if (isReassociableOp(BI->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1003             (!BI->hasOneUse() ||
1004              !isReassociableOp(BI->use_back(), Instruction::Mul))) {
1005           BI = LowerNegateToMultiply(BI, ValueRankMap);
1006           MadeChange = true;
1007         }
1008       }
1009     }
1010
1011     // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
1012     if (!BI->isAssociative()) continue;
1013     BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
1014
1015     // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
1016     // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
1017     if (I->hasOneUse() && isReassociableOp(I->use_back(), I->getOpcode()))
1018       continue;
1019
1020     // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it 
1021     // until we process the subtract.
1022     if (I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Instruction::Add &&
1023         cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
1024       continue;
1025
1026     ReassociateExpression(I);
1027   }
1028 }
1029
1030 Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1031   
1032   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1033   // operand information.
1034   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1035   LinearizeExprTree(I, Ops);
1036   
1037   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1038   
1039   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1040   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1041   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1042   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1043   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1044   // the vector.
1045   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1046   
1047   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1048   // sorted form, optimize it globally if possible.
1049   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1050     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1051     // eliminate it.
1052     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1053     I->replaceAllUsesWith(V);
1054     RemoveDeadBinaryOp(I);
1055     ++NumAnnihil;
1056     return V;
1057   }
1058   
1059   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1060   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1061   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1062   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1063   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1064       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1065       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1066       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1067     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1068     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1069   }
1070   
1071   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1072   
1073   if (Ops.size() == 1) {
1074     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1075     // eliminate it.
1076     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1077     RemoveDeadBinaryOp(I);
1078     return Ops[0].Op;
1079   }
1080   
1081   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1082   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1083   RewriteExprTree(I, Ops);
1084   return I;
1085 }
1086
1087
1088 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1089   // Recalculate the rank map for F
1090   BuildRankMap(F);
1091
1092   MadeChange = false;
1093   for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
1094     ReassociateBB(FI);
1095
1096   // We are done with the rank map.
1097   RankMap.clear();
1098   ValueRankMap.clear();
1099   return MadeChange;
1100 }
1101