lib/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.cpp

   1 //===-- SimplifyIndVar.cpp - Induction variable simplification ------------===//
   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 file implements induction variable simplification. It does
  11 // not define any actual pass or policy, but provides a single function to
  12 // simplify a loop's induction variables based on ScalarEvolution.
  13 //
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15
  16 #define DEBUG_TYPE "indvars"
  17
  18 #include "llvm/Instructions.h"
  19 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
  20 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
  21 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
  22 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  23 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  24 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  25 #include "llvm/Support/Debug.h"
  26 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  27 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
  28 #include "llvm/Target/TargetData.h"
  29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  31
  32 using namespace llvm;
  33
  34 STATISTIC(NumElimIdentity, "Number of IV identities eliminated");
  35 STATISTIC(NumElimOperand,  "Number of IV operands folded into a use");
  36 STATISTIC(NumElimRem     , "Number of IV remainder operations eliminated");
  37 STATISTIC(NumElimCmp     , "Number of IV comparisons eliminated");
  38
  39 namespace {
  40   /// SimplifyIndvar - This is a utility for simplifying induction variables
  41   /// based on ScalarEvolution. It is the primary instrument of the
  42   /// IndvarSimplify pass, but it may also be directly invoked to cleanup after
  43   /// other loop passes that preserve SCEV.
  44   class SimplifyIndvar {
  45     Loop             *L;
  46     LoopInfo         *LI;
  47     DominatorTree    *DT;
  48     ScalarEvolution  *SE;
  49     IVUsers          *IU; // NULL for DisableIVRewrite
  50     const TargetData *TD; // May be NULL
  51
  52     SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
  53
  54     bool Changed;
  55
  56   public:
  57     SimplifyIndvar(Loop *Loop, ScalarEvolution *SE, LPPassManager *LPM,
  58                    SmallVectorImpl<WeakVH> &Dead, IVUsers *IVU = NULL) :
  59       L(Loop),
  60       LI(LPM->getAnalysisIfAvailable<LoopInfo>()),
  61       SE(SE),
  62       IU(IVU),
  63       TD(LPM->getAnalysisIfAvailable<TargetData>()),
  64       DeadInsts(Dead),
  65       Changed(false) {
  66       assert(LI && "IV simplification requires LoopInfo");
  67     }
  68
  69     bool hasChanged() const { return Changed; }
  70
  71     /// Iteratively perform simplification on a worklist of users of the
  72     /// specified induction variable. This is the top-level driver that applies
  73     /// all simplicitions to users of an IV.
  74     void simplifyUsers(PHINode *CurrIV, IVVisitor *V = NULL);
  75
  76     Value *foldIVUser(Instruction *UseInst, Instruction *IVOperand);
  77
  78     bool eliminateIVUser(Instruction *UseInst, Instruction *IVOperand);
  79     void eliminateIVComparison(ICmpInst *ICmp, Value *IVOperand);
  80     void eliminateIVRemainder(BinaryOperator *Rem, Value *IVOperand,
  81                               bool IsSigned);
  82   };
  83 }
  84
  85 /// foldIVUser - Fold an IV operand into its use.  This removes increments of an
  86 /// aligned IV when used by a instruction that ignores the low bits.
  87 ///
  88 /// IVOperand is guaranteed SCEVable, but UseInst may not be.
  89 ///
  90 /// Return the operand of IVOperand for this induction variable if IVOperand can
  91 /// be folded (in case more folding opportunities have been exposed).
  92 /// Otherwise return null.
  93 Value *SimplifyIndvar::foldIVUser(Instruction *UseInst, Instruction *IVOperand) {
  94   Value *IVSrc = 0;
  95   unsigned OperIdx = 0;
  96   const SCEV *FoldedExpr = 0;
  97   switch (UseInst->getOpcode()) {
  98   default:
  99     return 0;
 100   case Instruction::UDiv:
 101   case Instruction::LShr:
 102     // We're only interested in the case where we know something about
 103     // the numerator and have a constant denominator.
 104     if (IVOperand != UseInst->getOperand(OperIdx) ||
 105         !isa<ConstantInt>(UseInst->getOperand(1)))
 106       return 0;
 107
 108     // Attempt to fold a binary operator with constant operand.
 109     // e.g. ((I + 1) >> 2) => I >> 2
 110     if (IVOperand->getNumOperands() != 2 ||
 111         !isa<ConstantInt>(IVOperand->getOperand(1)))
 112       return 0;
 113
 114     IVSrc = IVOperand->getOperand(0);
 115     // IVSrc must be the (SCEVable) IV, since the other operand is const.
 116     assert(SE->isSCEVable(IVSrc->getType()) && "Expect SCEVable IV operand");
 117
 118     ConstantInt *D = cast<ConstantInt>(UseInst->getOperand(1));
 119     if (UseInst->getOpcode() == Instruction::LShr) {
 120       // Get a constant for the divisor. See createSCEV.
 121       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(UseInst->getType())->getBitWidth();
 122       if (D->getValue().uge(BitWidth))
 123         return 0;
 124
 125       D = ConstantInt::get(UseInst->getContext(),
 126                            APInt(BitWidth, 1).shl(D->getZExtValue()));
 127     }
 128     FoldedExpr = SE->getUDivExpr(SE->getSCEV(IVSrc), SE->getSCEV(D));
 129   }
 130   // We have something that might fold it's operand. Compare SCEVs.
 131   if (!SE->isSCEVable(UseInst->getType()))
 132     return 0;
 133
 134   // Bypass the operand if SCEV can prove it has no effect.
 135   if (SE->getSCEV(UseInst) != FoldedExpr)
 136     return 0;
 137
 138   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated IV operand: " << *IVOperand
 139         << " -> " << *UseInst << '\n');
 140
 141   UseInst->setOperand(OperIdx, IVSrc);
 142   assert(SE->getSCEV(UseInst) == FoldedExpr && "bad SCEV with folded oper");
 143
 144   ++NumElimOperand;
 145   Changed = true;
 146   if (IVOperand->use_empty())
 147     DeadInsts.push_back(IVOperand);
 148   return IVSrc;
 149 }
 150
 151 /// eliminateIVComparison - SimplifyIVUsers helper for eliminating useless
 152 /// comparisons against an induction variable.
 153 void SimplifyIndvar::eliminateIVComparison(ICmpInst *ICmp, Value *IVOperand) {
 154   unsigned IVOperIdx = 0;
 155   ICmpInst::Predicate Pred = ICmp->getPredicate();
 156   if (IVOperand != ICmp->getOperand(0)) {
 157     // Swapped
 158     assert(IVOperand == ICmp->getOperand(1) && "Can't find IVOperand");
 159     IVOperIdx = 1;
 160     Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
 161   }
 162
 163   // Get the SCEVs for the ICmp operands.
 164   const SCEV *S = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(IVOperIdx));
 165   const SCEV *X = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(1 - IVOperIdx));
 166
 167   // Simplify unnecessary loops away.
 168   const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(ICmp->getParent());
 169   S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
 170   X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
 171
 172   // If the condition is always true or always false, replace it with
 173   // a constant value.
 174   if (SE->isKnownPredicate(Pred, S, X))
 175     ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getTrue(ICmp->getContext()));
 176   else if (SE->isKnownPredicate(ICmpInst::getInversePredicate(Pred), S, X))
 177     ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getFalse(ICmp->getContext()));
 178   else
 179     return;
 180
 181   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated comparison: " << *ICmp << '\n');
 182   ++NumElimCmp;
 183   Changed = true;
 184   DeadInsts.push_back(ICmp);
 185 }
 186
 187 /// eliminateIVRemainder - SimplifyIVUsers helper for eliminating useless
 188 /// remainder operations operating on an induction variable.
 189 void SimplifyIndvar::eliminateIVRemainder(BinaryOperator *Rem,
 190                                       Value *IVOperand,
 191                                       bool IsSigned) {
 192   // We're only interested in the case where we know something about
 193   // the numerator.
 194   if (IVOperand != Rem->getOperand(0))
 195     return;
 196
 197   // Get the SCEVs for the ICmp operands.
 198   const SCEV *S = SE->getSCEV(Rem->getOperand(0));
 199   const SCEV *X = SE->getSCEV(Rem->getOperand(1));
 200
 201   // Simplify unnecessary loops away.
 202   const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(Rem->getParent());
 203   S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
 204   X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
 205
 206   // i % n  -->  i  if i is in [0,n).
 207   if ((!IsSigned || SE->isKnownNonNegative(S)) &&
 208       SE->isKnownPredicate(IsSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
 209                            S, X))
 210     Rem->replaceAllUsesWith(Rem->getOperand(0));
 211   else {
 212     // (i+1) % n  -->  (i+1)==n?0:(i+1)  if i is in [0,n).
 213     const SCEV *LessOne =
 214       SE->getMinusSCEV(S, SE->getConstant(S->getType(), 1));
 215     if (IsSigned && !SE->isKnownNonNegative(LessOne))
 216       return;
 217
 218     if (!SE->isKnownPredicate(IsSigned ?
 219                               ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
 220                               LessOne, X))
 221       return;
 222
 223     ICmpInst *ICmp = new ICmpInst(Rem, ICmpInst::ICMP_EQ,
 224                                   Rem->getOperand(0), Rem->getOperand(1));
 225     SelectInst *Sel =
 226       SelectInst::Create(ICmp,
 227                          ConstantInt::get(Rem->getType(), 0),
 228                          Rem->getOperand(0), "tmp", Rem);
 229     Rem->replaceAllUsesWith(Sel);
 230   }
 231
 232   // Inform IVUsers about the new users.
 233   if (IU) {
 234     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Rem->getOperand(0)))
 235       IU->AddUsersIfInteresting(I);
 236   }
 237   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Simplified rem: " << *Rem << '\n');
 238   ++NumElimRem;
 239   Changed = true;
 240   DeadInsts.push_back(Rem);
 241 }
 242
 243 /// eliminateIVUser - Eliminate an operation that consumes a simple IV and has
 244 /// no observable side-effect given the range of IV values.
 245 /// IVOperand is guaranteed SCEVable, but UseInst may not be.
 246 bool SimplifyIndvar::eliminateIVUser(Instruction *UseInst,
 247                                      Instruction *IVOperand) {
 248   if (ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UseInst)) {
 249     eliminateIVComparison(ICmp, IVOperand);
 250     return true;
 251   }
 252   if (BinaryOperator *Rem = dyn_cast<BinaryOperator>(UseInst)) {
 253     bool IsSigned = Rem->getOpcode() == Instruction::SRem;
 254     if (IsSigned || Rem->getOpcode() == Instruction::URem) {
 255       eliminateIVRemainder(Rem, IVOperand, IsSigned);
 256       return true;
 257     }
 258   }
 259
 260   // Eliminate any operation that SCEV can prove is an identity function.
 261   if (!SE->isSCEVable(UseInst->getType()) ||
 262       (UseInst->getType() != IVOperand->getType()) ||
 263       (SE->getSCEV(UseInst) != SE->getSCEV(IVOperand)))
 264     return false;
 265
 266   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated identity: " << *UseInst << '\n');
 267
 268   UseInst->replaceAllUsesWith(IVOperand);
 269   ++NumElimIdentity;
 270   Changed = true;
 271   DeadInsts.push_back(UseInst);
 272   return true;
 273 }
 274
 275 /// pushIVUsers - Add all uses of Def to the current IV's worklist.
 276 ///
 277 static void pushIVUsers(
 278   Instruction *Def,
 279   SmallPtrSet<Instruction*,16> &Simplified,
 280   SmallVectorImpl< std::pair<Instruction*,Instruction*> > &SimpleIVUsers) {
 281
 282   for (Value::use_iterator UI = Def->use_begin(), E = Def->use_end();
 283        UI != E; ++UI) {
 284     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
 285
 286     // Avoid infinite or exponential worklist processing.
 287     // Also ensure unique worklist users.
 288     // If Def is a LoopPhi, it may not be in the Simplified set, so check for
 289     // self edges first.
 290     if (User != Def && Simplified.insert(User))
 291       SimpleIVUsers.push_back(std::make_pair(User, Def));
 292   }
 293 }
 294
 295 /// isSimpleIVUser - Return true if this instruction generates a simple SCEV
 296 /// expression in terms of that IV.
 297 ///
 298 /// This is similar to IVUsers' isInteresting() but processes each instruction
 299 /// non-recursively when the operand is already known to be a simpleIVUser.
 300 ///
 301 static bool isSimpleIVUser(Instruction *I, const Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
 302   if (!SE->isSCEVable(I->getType()))
 303     return false;
 304
 305   // Get the symbolic expression for this instruction.
 306   const SCEV *S = SE->getSCEV(I);
 307
 308   // Only consider affine recurrences.
 309   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S);
 310   if (AR && AR->getLoop() == L)
 311     return true;
 312
 313   return false;
 314 }
 315
 316 /// simplifyUsers - Iteratively perform simplification on a worklist of users
 317 /// of the specified induction variable. Each successive simplification may push
 318 /// more users which may themselves be candidates for simplification.
 319 ///
 320 /// This algorithm does not require IVUsers analysis. Instead, it simplifies
 321 /// instructions in-place during analysis. Rather than rewriting induction
 322 /// variables bottom-up from their users, it transforms a chain of IVUsers
 323 /// top-down, updating the IR only when it encouters a clear optimization
 324 /// opportunitiy.
 325 ///
 326 /// Once DisableIVRewrite is default, LSR will be the only client of IVUsers.
 327 ///
 328 void SimplifyIndvar::simplifyUsers(PHINode *CurrIV, IVVisitor *V) {
 329   if (!SE->isSCEVable(CurrIV->getType()))
 330     return;
 331
 332   // Instructions processed by SimplifyIndvar for CurrIV.
 333   SmallPtrSet<Instruction*,16> Simplified;
 334
 335   // Use-def pairs if IV users waiting to be processed for CurrIV.
 336   SmallVector<std::pair<Instruction*, Instruction*>, 8> SimpleIVUsers;
 337
 338   // Push users of the current LoopPhi. In rare cases, pushIVUsers may be
 339   // called multiple times for the same LoopPhi. This is the proper thing to
 340   // do for loop header phis that use each other.
 341   pushIVUsers(CurrIV, Simplified, SimpleIVUsers);
 342
 343   while (!SimpleIVUsers.empty()) {
 344     std::pair<Instruction*, Instruction*> UseOper =
 345       SimpleIVUsers.pop_back_val();
 346     // Bypass back edges to avoid extra work.
 347     if (UseOper.first == CurrIV) continue;
 348
 349     Instruction *IVOperand = UseOper.second;
 350     for (unsigned N = 0; IVOperand; ++N) {
 351       assert(N <= Simplified.size() && "runaway iteration");
 352
 353       Value *NewOper = foldIVUser(UseOper.first, IVOperand);
 354       if (!NewOper)
 355         break; // done folding
 356       IVOperand = dyn_cast<Instruction>(NewOper);
 357     }
 358     if (!IVOperand)
 359       continue;
 360
 361     if (eliminateIVUser(UseOper.first, IVOperand)) {
 362       pushIVUsers(IVOperand, Simplified, SimpleIVUsers);
 363       continue;
 364     }
 365     CastInst *Cast = dyn_cast<CastInst>(UseOper.first);
 366     if (V && Cast) {
 367       V->visitCast(Cast);
 368       continue;
 369     }
 370     if (isSimpleIVUser(UseOper.first, L, SE)) {
 371       pushIVUsers(UseOper.first, Simplified, SimpleIVUsers);
 372     }
 373   }
 374 }
 375
 376 namespace llvm {
 377
 378 /// simplifyUsersOfIV - Simplify instructions that use this induction variable
 379 /// by using ScalarEvolution to analyze the IV's recurrence.
 380 bool simplifyUsersOfIV(PHINode *CurrIV, ScalarEvolution *SE, LPPassManager *LPM,
 381                        SmallVectorImpl<WeakVH> &Dead, IVVisitor *V)
 382 {
 383   LoopInfo *LI = &LPM->getAnalysis<LoopInfo>();
 384   SimplifyIndvar SIV(LI->getLoopFor(CurrIV->getParent()), SE, LPM, Dead);
 385   SIV.simplifyUsers(CurrIV, V);
 386   return SIV.hasChanged();
 387 }
 388
 389 /// simplifyLoopIVs - Simplify users of induction variables within this
 390 /// loop. This does not actually change or add IVs.
 391 bool simplifyLoopIVs(Loop *L, ScalarEvolution *SE, LPPassManager *LPM,
 392                      SmallVectorImpl<WeakVH> &Dead) {
 393   bool Changed = false;
 394   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 395     Changed |= simplifyUsersOfIV(cast<PHINode>(I), SE, LPM, Dead);
 396   }
 397   return Changed;
 398 }
 399
 400 /// simplifyIVUsers - Perform simplification on instructions recorded by the
 401 /// IVUsers pass.
 402 ///
 403 /// This is the old approach to IV simplification to be replaced by
 404 /// SimplifyLoopIVs.
 405 bool simplifyIVUsers(IVUsers *IU, ScalarEvolution *SE, LPPassManager *LPM,
 406                      SmallVectorImpl<WeakVH> &Dead) {
 407   SimplifyIndvar SIV(IU->getLoop(), SE, LPM, Dead);
 408
 409   // Each round of simplification involves a round of eliminating operations
 410   // followed by a round of widening IVs. A single IVUsers worklist is used
 411   // across all rounds. The inner loop advances the user. If widening exposes
 412   // more uses, then another pass through the outer loop is triggered.
 413   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(); I != IU->end(); ++I) {
 414     Instruction *UseInst = I->getUser();
 415     Value *IVOperand = I->getOperandValToReplace();
 416
 417     if (ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UseInst)) {
 418       SIV.eliminateIVComparison(ICmp, IVOperand);
 419       continue;
 420     }
 421     if (BinaryOperator *Rem = dyn_cast<BinaryOperator>(UseInst)) {
 422       bool IsSigned = Rem->getOpcode() == Instruction::SRem;
 423       if (IsSigned || Rem->getOpcode() == Instruction::URem) {
 424         SIV.eliminateIVRemainder(Rem, IVOperand, IsSigned);
 425         continue;
 426       }
 427     }
 428   }
 429   return SIV.hasChanged();
 430 }
 431
 432 } // namespace llvm