Since commit 157467, if reassociate isn't actually going to change an expression
[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/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
40 #include "llvm/ADT/SmallMap.h"
41 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
42 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
43 #include <algorithm>
44 using namespace llvm;
45
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     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
139                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
140     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
141     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
142                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
143     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
144                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
145     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
146     void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
147     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
148     void ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI);
149
150     void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
151   };
152 }
153
154 char Reassociate::ID = 0;
155 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
156                 "Reassociate expressions", false, false)
157
158 // Public interface to the Reassociate pass
159 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
160
161 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
162 /// opcode and if it only has one use.
163 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
164   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
165       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
166     return cast<BinaryOperator>(V);
167   return 0;
168 }
169
170 void Reassociate::RemoveDeadBinaryOp(Value *V) {
171   BinaryOperator *Op = dyn_cast<BinaryOperator>(V);
172   if (!Op)
173     return;
174
175   ValueRankMap.erase(Op);
176   DeadInsts.push_back(Op);
177
178   BinaryOperator *LHS = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Op->getOpcode());
179   BinaryOperator *RHS = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Op->getOpcode());
180   Op->setOperand(0, UndefValue::get(Op->getType()));
181   Op->setOperand(1, UndefValue::get(Op->getType()));
182
183   if (LHS)
184     RemoveDeadBinaryOp(LHS);
185   if (RHS)
186     RemoveDeadBinaryOp(RHS);
187 }
188
189 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
190   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
191       I->getOpcode() == Instruction::LandingPad ||
192       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
193       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
194       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
195       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
196        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
197       I->getOpcode() == Instruction::UDiv ||
198       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
199       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
200       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
201       I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
202       I->getOpcode() == Instruction::FRem)
203     return true;
204   return false;
205 }
206
207 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
208   unsigned i = 2;
209
210   // Assign distinct ranks to function arguments
211   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
212     ValueRankMap[&*I] = ++i;
213
214   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
215   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
216          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
217     BasicBlock *BB = *I;
218     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
219
220     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
221     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
222     // all different in the block.
223     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
224       if (isUnmovableInstruction(I))
225         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
226   }
227 }
228
229 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
230   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
231   if (I == 0) {
232     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
233     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
234   }
235
236   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
237     return Rank;    // Rank already known?
238
239   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
240   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
241   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
242   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
243   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
244   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
245        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
246     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
247
248   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
249   // assures us that X and ~X will have the same rank.
250   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
251       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
252     ++Rank;
253
254   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
255   //     << Rank << "\n");
256
257   return ValueRankMap[I] = Rank;
258 }
259
260 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
261 ///
262 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg,
263                          DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
264   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
265
266   BinaryOperator *Res =
267     BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
268   ValueRankMap.erase(Neg);
269   Res->takeName(Neg);
270   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
271   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
272   Neg->eraseFromParent();
273   return Res;
274 }
275
276 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
277 /// nodes in Ops.  The original expression is the same as Ops[0] op ... Ops[N].
278 /// Note that a node may occur multiple times in Ops, but if so all occurrences
279 /// are consecutive in the vector.
280 ///
281 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
282 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
283 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
284 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
285 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
286 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
287 /// use is a non-leaf node of the expression.
288 ///
289 /// For example:
290 ///           expression graph        node names
291 ///
292 ///                     +        |        I
293 ///                    / \       |
294 ///                   +   +      |      A,  B
295 ///                  / \ / \     |
296 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
297 ///                / \ / \ / \   |
298 ///                   +   *      |      F,  G
299 ///
300 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
301 /// that order) C, E, F, F, G, G.
302 ///
303 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
304 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
305 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
306 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
307 ///
308 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
309 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
310 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
311 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
312 /// RewriteExprTree to put the values back in.
313 ///
314 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
315 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
316 ///
317 ///                     +        |        I
318 ///                    / \       |
319 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
320 ///                  / \   \     |
321 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
322 ///                / \ / \ / \   |
323 ///                   +   *      |      F,  G
324 ///
325 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
326 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
327 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
328 /// which requires passing through a phi node.
329 ///
330 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
331 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
332 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
333 /// type and thus make the expression bigger.
334
335 void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
336                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
337   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
338
339   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
340   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
341   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
342   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
343   // while A has weight two.
344
345   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
346   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
347   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
348   // ways to get to it.
349   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, unsigned>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
350   Worklist.push_back(std::make_pair(I, 1));
351   unsigned Opcode = I->getOpcode();
352
353   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
354   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
355   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
356   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
357   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
358   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
359   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
360   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
361   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
362   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
363   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
364   // are explored.
365
366   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
367   // paths to each leaf seen so far.
368   typedef SmallMap<Value*, unsigned, 8> LeafMap;
369   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
370   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
371
372 #ifndef NDEBUG
373   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
374 #endif
375   while (!Worklist.empty()) {
376     std::pair<BinaryOperator*, unsigned> P = Worklist.pop_back_val();
377     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
378     assert(P.second >= 1 && "No paths to here, so how did we get here?!");
379
380     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
381       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
382       unsigned Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
383       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
384       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
385
386       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
387       // add its operands to the expression.
388       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
389         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
390         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
391         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
392         continue;
393       }
394
395       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
396       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
397       if (It == Leaves.end()) {
398         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
399         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
400         if (!Op->hasOneUse()) {
401           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
402           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
403           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
404           LeafOrder.push_back(Op);
405           Leaves[Op] = Weight;
406           continue;
407         }
408         // No uses outside the expression, try morphing it.
409       } else if (It != Leaves.end()) {
410         // Already in the leaf map.
411         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
412
413         // Update the number of paths to the leaf.
414         It->second += Weight;
415
416         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
417         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
418         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
419         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
420         MadeChange = true;
421
422         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
423         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
424         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
425         // its operands to the expression.
426         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
427           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
428           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
429           Leaves.erase(It);
430           continue;
431         }
432
433         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
434         // then it is not safe to modify the value.
435         if (!Op->hasOneUse())
436           continue;
437
438         // No uses outside the expression, try morphing it.
439         Weight = It->second;
440         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
441       }
442
443       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
444       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
445       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
446       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
447       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
448               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
449              "Should have been handled above!");
450       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
451
452       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
453       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
454       BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op);
455       if (Opcode == Instruction::Mul && BO && BinaryOperator::isNeg(BO)) {
456         DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
457         BO = LowerNegateToMultiply(BO, ValueRankMap);
458         DEBUG(dbgs() << *BO << 'n');
459         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
460         MadeChange = true;
461         continue;
462       }
463
464       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
465       // a leaf.
466       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
467       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
468       LeafOrder.push_back(Op);
469       Leaves[Op] = Weight;
470     }
471   }
472
473   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
474   // form of the expression.
475   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
476     Value *V = LeafOrder[i];
477     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
478     if (It == Leaves.end())
479       // Leaf already output, or node initially thought to be a leaf wasn't.
480       continue;
481     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
482     unsigned Weight = It->second;
483     assert(Weight > 0 && "No paths to this value!");
484     // FIXME: Rather than repeating values Weight times, use a vector of
485     // (ValueEntry, multiplicity) pairs.
486     Ops.append(Weight, ValueEntry(getRank(V), V));
487     // Ensure the leaf is only output once.
488     Leaves.erase(It);
489   }
490 }
491
492 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
493 // linearized and optimized, emit them in-order.
494 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
495                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
496   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
497
498   // Since our optimizations never increase the number of operations, the new
499   // expression can always be written by reusing the existing binary operators
500   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
501   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
502   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
503   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
504   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
505   // nsw flags.
506
507   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
508   /// the new expression into.
509   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
510   unsigned Opcode = I->getOpcode();
511   NodesToRewrite.push_back(I);
512
513   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
514   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
515   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
516   BinaryOperator *ExpressionChanged = 0;
517   BinaryOperator *Previous;
518   BinaryOperator *Op = 0;
519   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
520     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
521            "Optimized expressions has more nodes than original!");
522     Previous = Op; Op = NodesToRewrite.pop_back_val();
523     if (ExpressionChanged)
524       // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
525       // that the expression tree is dominated by all of Ops.
526       Op->moveBefore(Previous);
527
528     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
529     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
530     // a subexpression.
531     if (i+2 == Ops.size()) {
532       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
533       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
534       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
535       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
536
537       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
538         // Nothing changed, leave it alone.
539         break;
540
541       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
542         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
543         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
544         Op->swapOperands();
545         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
546         MadeChange = true;
547         ++NumChanged;
548         break;
549       }
550
551       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
552       // the old operands with the new ones.
553       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
554       if (NewLHS != OldLHS) {
555         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode))
556           NodesToRewrite.push_back(BO);
557         Op->setOperand(0, NewLHS);
558       }
559       if (NewRHS != OldRHS) {
560         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode))
561           NodesToRewrite.push_back(BO);
562         Op->setOperand(1, NewRHS);
563       }
564       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
565
566       ExpressionChanged = Op;
567       MadeChange = true;
568       ++NumChanged;
569
570       break;
571     }
572
573     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
574     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
575     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
576     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
577       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
578       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
579         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
580         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
581         Op->swapOperands();
582       } else {
583         // Overwrite with the new right-hand side.
584         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode))
585           NodesToRewrite.push_back(BO);
586         Op->setOperand(1, NewRHS);
587         ExpressionChanged = Op;
588       }
589       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
590       MadeChange = true;
591       ++NumChanged;
592     }
593
594     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
595     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
596     // into it.
597     if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode)) {
598       NodesToRewrite.push_back(BO);
599       continue;
600     }
601
602     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
603     // the left-hand side.
604     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
605            "Optimized expressions has more nodes than original!");
606     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
607     Op->setOperand(0, NodesToRewrite.back());
608     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
609     ExpressionChanged = Op;
610     MadeChange = true;
611     ++NumChanged;
612   }
613
614   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
615   // starting from the operator specified in ExpressionChanged.
616   if (ExpressionChanged) {
617     do {
618       ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
619       if (ExpressionChanged == I)
620         break;
621       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->use_begin());
622     } while (1);
623   }
624
625   // Throw away any left over nodes from the original expression.
626   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
627     RemoveDeadBinaryOp(NodesToRewrite[i]);
628 }
629
630 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
631 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
632 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
633 /// that should be processed next by the reassociation pass.
634 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
635   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
636     return ConstantExpr::getNeg(C);
637
638   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
639   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
640   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
641   // this means that we turn this:
642   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
643   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
644   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
645   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
646   //
647   if (BinaryOperator *I = isReassociableOp(V, Instruction::Add)) {
648     // Push the negates through the add.
649     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
650     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
651
652     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
653     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
654     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
655     // instruction we are about to insert after them.
656     //
657     I->moveBefore(BI);
658     I->setName(I->getName()+".neg");
659     return I;
660   }
661
662   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
663   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
664   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
665     User *U = *UI;
666     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
667
668     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
669     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
670     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
671     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
672     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
673
674     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
675     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
676       continue;
677
678     BasicBlock::iterator InsertPt;
679     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
680       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
681         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
682       } else {
683         InsertPt = InstInput;
684         ++InsertPt;
685       }
686       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
687     } else {
688       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
689     }
690     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
691     return TheNeg;
692   }
693
694   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
695   // negation.
696   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
697 }
698
699 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
700 /// X-Y into (X + -Y).
701 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
702   // If this is a negation, we can't split it up!
703   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
704     return false;
705
706   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
707   // subtract or if this is only used by one.
708   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
709       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
710     return true;
711   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
712       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
713     return true;
714   if (Sub->hasOneUse() &&
715       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
716        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
717     return true;
718
719   return false;
720 }
721
722 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
723 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
724 /// reassociation.
725 static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
726                          DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
727   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
728   // instructions to be commuted with other add instructions.
729   //
730   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
731   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
732   //
733   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
734   Instruction *New =
735     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
736   New->takeName(Sub);
737
738   // Everyone now refers to the add instruction.
739   ValueRankMap.erase(Sub);
740   Sub->replaceAllUsesWith(New);
741   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
742   Sub->eraseFromParent();
743
744   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
745   return New;
746 }
747
748 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
749 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
750 /// reassociation.
751 static Instruction *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl,
752                          DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
753   // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
754   // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
755   if (isReassociableOp(Shl->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
756       (Shl->hasOneUse() &&
757        (isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Mul) ||
758         isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Add)))) {
759     Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
760     MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
761
762     Instruction *Mul =
763       BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
764     ValueRankMap.erase(Shl);
765     Mul->takeName(Shl);
766     Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
767     Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
768     Shl->eraseFromParent();
769     return Mul;
770   }
771   return 0;
772 }
773
774 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
775 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
776 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
777 /// same rank.
778 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
779                                   Value *X) {
780   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
781   unsigned e = Ops.size();
782   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
783     if (Ops[j].Op == X)
784       return j;
785   // Scan backwards.
786   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
787     if (Ops[j].Op == X)
788       return j;
789   return i;
790 }
791
792 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
793 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
794 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
795                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
796   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
797
798   Value *V1 = Ops.back();
799   Ops.pop_back();
800   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
801   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
802 }
803
804 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
805 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
806 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
807 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
808   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
809   if (!BO) return 0;
810
811   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
812   LinearizeExprTree(BO, Factors);
813
814   bool FoundFactor = false;
815   bool NeedsNegate = false;
816   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
817     if (Factors[i].Op == Factor) {
818       FoundFactor = true;
819       Factors.erase(Factors.begin()+i);
820       break;
821     }
822
823     // If this is a negative version of this factor, remove it.
824     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
825       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
826         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
827           FoundFactor = NeedsNegate = true;
828           Factors.erase(Factors.begin()+i);
829           break;
830         }
831   }
832
833   if (!FoundFactor) {
834     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
835     RewriteExprTree(BO, Factors);
836     return 0;
837   }
838
839   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
840
841   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
842   // remaining operand.
843   if (Factors.size() == 1) {
844     RemoveDeadBinaryOp(BO);
845     V = Factors[0].Op;
846   } else {
847     RewriteExprTree(BO, Factors);
848     V = BO;
849   }
850
851   if (NeedsNegate)
852     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
853
854   return V;
855 }
856
857 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
858 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
859 ///
860 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
861 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
862                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
863                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
864   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
865   if (!BO) {
866     Factors.push_back(V);
867     return;
868   }
869
870   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
871   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
872   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
873 }
874
875 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
876 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
877 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
878 /// necessary.
879 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
880                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
881   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
882   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
883   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
884     // First, check for X and ~X in the operand list.
885     assert(i < Ops.size());
886     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
887       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
888       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
889       if (FoundX != i) {
890         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
891           return Constant::getNullValue(X->getType());
892
893         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
894           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
895       }
896     }
897
898     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
899     // each other, due to our sorting criteria.
900     assert(i < Ops.size());
901     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
902       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
903         // Drop duplicate values for And and Or.
904         Ops.erase(Ops.begin()+i);
905         --i; --e;
906         ++NumAnnihil;
907         continue;
908       }
909
910       // Drop pairs of values for Xor.
911       assert(Opcode == Instruction::Xor);
912       if (e == 2)
913         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
914
915       // Y ^ X^X -> Y
916       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
917       i -= 1; e -= 2;
918       ++NumAnnihil;
919     }
920   }
921   return 0;
922 }
923
924 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
925 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
926 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
927 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
928                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
929   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
930   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
931   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
932   //
933   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
934   //
935   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
936     Value *TheOp = Ops[i].Op;
937     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
938     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
939     // that these need to be next to each other in the vector.
940     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
941       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
942       unsigned NumFound = 0;
943       do {
944         Ops.erase(Ops.begin()+i);
945         ++NumFound;
946       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
947
948       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
949       ++NumFactor;
950
951       // Insert a new multiply.
952       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
953       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
954
955       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
956       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
957       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
958       RedoInsts.push_back(Mul);
959
960       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
961       if (Ops.empty())
962         return Mul;
963
964       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
965       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
966       // things being added by this operation.
967       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
968
969       --i;
970       e = Ops.size();
971       continue;
972     }
973
974     // Check for X and -X in the operand list.
975     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
976       continue;
977
978     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
979     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
980     if (FoundX == i)
981       continue;
982
983     // Remove X and -X from the operand list.
984     if (Ops.size() == 2)
985       return Constant::getNullValue(X->getType());
986
987     Ops.erase(Ops.begin()+i);
988     if (i < FoundX)
989       --FoundX;
990     else
991       --i;   // Need to back up an extra one.
992     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
993     ++NumAnnihil;
994     --i;     // Revisit element.
995     e -= 2;  // Removed two elements.
996   }
997
998   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
999   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1000   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1001   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1002   // for any ADD operands that are MULs.
1003   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1004
1005   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1006   // where they are actually the same multiply.
1007   unsigned MaxOcc = 0;
1008   Value *MaxOccVal = 0;
1009   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1010     BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1011     if (!BOp)
1012       continue;
1013
1014     // Compute all of the factors of this added value.
1015     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1016     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1017     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1018
1019     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1020     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1021     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1022       Value *Factor = Factors[i];
1023       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
1024
1025       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1026       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1027
1028       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1029       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1030       // cannot be positivified.
1031       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
1032         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1033           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1034           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1035                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1036
1037           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1038           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1039         }
1040     }
1041   }
1042
1043   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1044   if (MaxOcc > 1) {
1045     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1046     ++NumFactor;
1047
1048     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1049     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1050     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1051     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1052     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1053     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1054     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1055       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1056       BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1057       if (!BOp)
1058         continue;
1059
1060       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1061         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1062         // one fell swoop.
1063         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1064           --j;
1065           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1066             NewMulOps.push_back(V);
1067             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1068           }
1069         }
1070         --i;
1071       }
1072     }
1073
1074     // No need for extra uses anymore.
1075     delete DummyInst;
1076
1077     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1078     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1079
1080     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1081     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1082     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1083     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1084     (void)NumAddedValues;
1085     RedoInsts.push_back(V);
1086
1087     // Create the multiply.
1088     Value *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
1089
1090     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1091     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1092     RedoInsts.push_back(V2);
1093
1094     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1095     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1096     if (Ops.empty())
1097       return V2;
1098
1099     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1100     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1101     // things being added by this operation.
1102     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1103   }
1104
1105   return 0;
1106 }
1107
1108 namespace {
1109   /// \brief Predicate tests whether a ValueEntry's op is in a map.
1110   struct IsValueInMap {
1111     const DenseMap<Value *, unsigned> &Map;
1112
1113     IsValueInMap(const DenseMap<Value *, unsigned> &Map) : Map(Map) {}
1114
1115     bool operator()(const ValueEntry &Entry) {
1116       return Map.find(Entry.Op) != Map.end();
1117     }
1118   };
1119 }
1120
1121 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1122 ///
1123 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1124 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1125 /// the order of descending power.
1126 ///
1127 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1128 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1129 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1130 ///
1131 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1132 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1133                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1134   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1135   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1136   unsigned FactorPowerSum = 0;
1137   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1138     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1139
1140     // Count the number of occurrences of this value.
1141     unsigned Count = 1;
1142     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1143       ++Count;
1144     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1145     if (Count > 1)
1146       FactorPowerSum += Count;
1147   }
1148
1149   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1150   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1151   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1152   // trying to simplify already minimal formations.
1153   if (FactorPowerSum < 4)
1154     return false;
1155
1156   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1157   FactorPowerSum = 0;
1158   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1159     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1160
1161     // Count the number of occurrences of this value.
1162     unsigned Count = 1;
1163     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1164       ++Count;
1165     if (Count == 1)
1166       continue;
1167     // Move an even number of occurences to Factors.
1168     Count &= ~1U;
1169     Idx -= Count;
1170     FactorPowerSum += Count;
1171     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1172     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1173   }
1174
1175   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1176   // below our mininum of '4'.
1177   assert(FactorPowerSum >= 4);
1178
1179   std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1180   return true;
1181 }
1182
1183 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1184 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1185                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1186   if (Ops.size() == 1)
1187     return Ops.back();
1188
1189   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1190   do {
1191     LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1192   } while (!Ops.empty());
1193
1194   return LHS;
1195 }
1196
1197 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1198 ///
1199 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1200 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1201 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1202 /// value.
1203 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1204                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1205   assert(Factors[0].Power);
1206   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1207   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1208        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1209     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1210       LastIdx = Idx;
1211       continue;
1212     }
1213
1214     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1215     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1216     // for that.
1217     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1218     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1219     do {
1220       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1221       ++Idx;
1222     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1223
1224     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1225     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1226     Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1227     RedoInsts.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1228
1229     LastIdx = Idx;
1230   }
1231   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1232   // base.
1233   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1234                             Factor::PowerEqual()),
1235                 Factors.end());
1236
1237   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1238   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1239   // expression.
1240   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1241     if (Factors[Idx].Power & 1)
1242       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1243     Factors[Idx].Power >>= 1;
1244   }
1245   if (Factors[0].Power) {
1246     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1247     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1248     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1249   }
1250   if (OuterProduct.size() == 1)
1251     return OuterProduct.front();
1252
1253   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1254   return V;
1255 }
1256
1257 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1258                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1259   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1260   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1261   if (Ops.size() < 4)
1262     return 0;
1263
1264   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1265   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1266   // re-use.
1267   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1268   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1269     return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1270
1271   IRBuilder<> Builder(I);
1272   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1273   if (Ops.empty())
1274     return V;
1275
1276   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1277   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1278   return 0;
1279 }
1280
1281 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1282                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1283   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1284   // Start by folding any constants that we found.
1285   bool IterateOptimization = false;
1286   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1287
1288   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1289
1290   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
1291     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
1292       Ops.pop_back();
1293       Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
1294       return OptimizeExpression(I, Ops);
1295     }
1296
1297   // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
1298   if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
1299     switch (Opcode) {
1300     default: break;
1301     case Instruction::And:
1302       if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
1303         return CstVal;
1304       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
1305         Ops.pop_back();
1306       break;
1307     case Instruction::Mul:
1308       if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
1309         ++NumAnnihil;
1310         return CstVal;
1311       }
1312
1313       if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
1314         Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
1315       break;
1316     case Instruction::Or:
1317       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
1318         return CstVal;
1319       // FALLTHROUGH!
1320     case Instruction::Add:
1321     case Instruction::Xor:
1322       if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
1323         Ops.pop_back();
1324       break;
1325     }
1326   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1327
1328   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1329   // argument list here.
1330   unsigned NumOps = Ops.size();
1331   switch (Opcode) {
1332   default: break;
1333   case Instruction::And:
1334   case Instruction::Or:
1335   case Instruction::Xor:
1336     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1337       return Result;
1338     break;
1339
1340   case Instruction::Add:
1341     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1342       return Result;
1343     break;
1344
1345   case Instruction::Mul:
1346     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1347       return Result;
1348     break;
1349   }
1350
1351   if (IterateOptimization || Ops.size() != NumOps)
1352     return OptimizeExpression(I, Ops);
1353   return 0;
1354 }
1355
1356 /// ReassociateInst - Inspect and reassociate the instruction at the
1357 /// given position, post-incrementing the position.
1358 void Reassociate::ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI) {
1359   Instruction *BI = BBI++;
1360   if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1361       isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
1362     if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI, ValueRankMap)) {
1363       MadeChange = true;
1364       BI = NI;
1365     }
1366
1367   // Floating point binary operators are not associative, but we can still
1368   // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
1369   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
1370   // other transformations simpler.
1371   if (isa<BinaryOperator>(BI) &&
1372       (BI->getType()->isFloatingPointTy() || BI->getType()->isVectorTy())) {
1373     // FAdd and FMul can be commuted.
1374     if (BI->getOpcode() != Instruction::FMul &&
1375         BI->getOpcode() != Instruction::FAdd)
1376       return;
1377
1378     Value *LHS = BI->getOperand(0);
1379     Value *RHS = BI->getOperand(1);
1380     unsigned LHSRank = getRank(LHS);
1381     unsigned RHSRank = getRank(RHS);
1382
1383     // Sort the operands by rank.
1384     if (RHSRank < LHSRank) {
1385       BI->setOperand(0, RHS);
1386       BI->setOperand(1, LHS);
1387     }
1388
1389     return;
1390   }
1391
1392   // Do not reassociate operations that we do not understand.
1393   if (!isa<BinaryOperator>(BI))
1394     return;
1395
1396   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
1397   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
1398   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
1399   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
1400   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
1401   // optimized for the most likely conditions.
1402   if (BI->getType()->isIntegerTy(1))
1403     return;
1404
1405   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
1406   // see if we can convert it to X+-Y.
1407   if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub) {
1408     if (ShouldBreakUpSubtract(BI)) {
1409       BI = BreakUpSubtract(BI, ValueRankMap);
1410       // Reset the BBI iterator in case BreakUpSubtract changed the
1411       // instruction it points to.
1412       BBI = BI;
1413       ++BBI;
1414       MadeChange = true;
1415     } else if (BinaryOperator::isNeg(BI)) {
1416       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1417       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1418       if (isReassociableOp(BI->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1419           (!BI->hasOneUse() ||
1420            !isReassociableOp(BI->use_back(), Instruction::Mul))) {
1421         BI = LowerNegateToMultiply(BI, ValueRankMap);
1422         MadeChange = true;
1423       }
1424     }
1425   }
1426
1427   // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
1428   if (!BI->isAssociative()) return;
1429   BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
1430
1431   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
1432   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
1433   if (I->hasOneUse() && isReassociableOp(I->use_back(), I->getOpcode()))
1434     return;
1435
1436   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
1437   // until we process the subtract.
1438   if (I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Instruction::Add &&
1439       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
1440     return;
1441
1442   ReassociateExpression(I);
1443 }
1444
1445 Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1446
1447   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1448   // operand information.
1449   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1450   LinearizeExprTree(I, Ops);
1451
1452   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1453
1454   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1455   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1456   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1457   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1458   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1459   // the vector.
1460   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1461
1462   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1463   // sorted form, optimize it globally if possible.
1464   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1465     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1466     // eliminate it.
1467     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1468     I->replaceAllUsesWith(V);
1469     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1470       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1471     RemoveDeadBinaryOp(I);
1472     ++NumAnnihil;
1473     return V;
1474   }
1475
1476   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1477   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1478   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1479   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1480   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1481       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1482       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1483       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1484     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1485     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1486   }
1487
1488   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1489
1490   if (Ops.size() == 1) {
1491     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1492     // eliminate it.
1493     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1494     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
1495       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1496     RemoveDeadBinaryOp(I);
1497     return Ops[0].Op;
1498   }
1499
1500   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1501   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1502   RewriteExprTree(I, Ops);
1503   return I;
1504 }
1505
1506 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1507   // Recalculate the rank map for F
1508   BuildRankMap(F);
1509
1510   MadeChange = false;
1511   for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
1512     for (BasicBlock::iterator BBI = FI->begin(); BBI != FI->end(); )
1513       ReassociateInst(BBI);
1514
1515   // Now that we're done, revisit any instructions which are likely to
1516   // have secondary reassociation opportunities.
1517   while (!RedoInsts.empty())
1518     if (Value *V = RedoInsts.pop_back_val()) {
1519       BasicBlock::iterator BBI = cast<Instruction>(V);
1520       ReassociateInst(BBI);
1521     }
1522
1523   // We are done with the rank map.
1524   RankMap.clear();
1525   ValueRankMap.clear();
1526
1527   // Now that we're done, delete any instructions which are no longer used.
1528   while (!DeadInsts.empty())
1529     if (Value *V = DeadInsts.pop_back_val())
1530       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(V);
1531
1532   return MadeChange;
1533 }