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