minor cleanups
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Vectorize / LoopVectorize.cpp
1 //===- LoopVectorize.cpp - A Loop Vectorizer ------------------------------===//
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 is the LLVM loop vectorizer. This pass modifies 'vectorizable' loops
11 // and generates target-independent LLVM-IR. Legalization of the IR is done
12 // in the codegen. However, the vectorizes uses (will use) the codegen
13 // interfaces to generate IR that is likely to result in an optimal binary.
14 //
15 // The loop vectorizer combines consecutive loop iteration into a single
16 // 'wide' iteration. After this transformation the index is incremented
17 // by the SIMD vector width, and not by one.
18 //
19 // This pass has three parts:
20 // 1. The main loop pass that drives the different parts.
21 // 2. LoopVectorizationLegality - A unit that checks for the legality
22 //    of the vectorization.
23 // 3. SingleBlockLoopVectorizer - A unit that performs the actual
24 //    widening of instructions.
25 // 4. LoopVectorizationCostModel - A unit that checks for the profitability
26 //    of vectorization. It decides on the optimal vector width, which
27 //    can be one, if vectorization is not profitable.
28 //
29 //===----------------------------------------------------------------------===//
30 //
31 // The reduction-variable vectorization is based on the paper:
32 //  D. Nuzman and R. Henderson. Multi-platform Auto-vectorization.
33 //
34 // Variable uniformity checks are inspired by:
35 // Karrenberg, R. and Hack, S. Whole Function Vectorization.
36 //
37 // Other ideas/concepts are from:
38 //  A. Zaks and D. Nuzman. Autovectorization in GCC-two years later.
39 //
40 //  S. Maleki, Y. Gao, M. Garzaran, T. Wong and D. Padua.  An Evaluation of
41 //  Vectorizing Compilers.
42 //
43 //===----------------------------------------------------------------------===//
44 #define LV_NAME "loop-vectorize"
45 #define DEBUG_TYPE LV_NAME
46 #include "llvm/Constants.h"
47 #include "llvm/DerivedTypes.h"
48 #include "llvm/Instructions.h"
49 #include "llvm/LLVMContext.h"
50 #include "llvm/Pass.h"
51 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
52 #include "llvm/Value.h"
53 #include "llvm/Function.h"
54 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
55 #include "llvm/Module.h"
56 #include "llvm/Type.h"
57 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
58 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
59 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
60 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
61 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
62 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
65 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
66 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
67 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
68 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
69 #include "llvm/TargetTransformInfo.h"
70 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
71 #include "llvm/Support/Debug.h"
72 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
73 #include "llvm/DataLayout.h"
74 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
75 #include <algorithm>
76 using namespace llvm;
77
78 static cl::opt<unsigned>
79 VectorizationFactor("force-vector-width", cl::init(0), cl::Hidden,
80           cl::desc("Set the default vectorization width. Zero is autoselect."));
81
82 /// We don't vectorize loops with a known constant trip count below this number.
83 const unsigned TinyTripCountThreshold = 16;
84
85 /// When performing a runtime memory check, do not check more than this
86 /// number of pointers. Notice that the check is quadratic!
87 const unsigned RuntimeMemoryCheckThreshold = 2;
88
89 /// This is the highest vector width that we try to generate.
90 const unsigned MaxVectorSize = 8;
91
92 namespace {
93
94 // Forward declarations.
95 class LoopVectorizationLegality;
96 class LoopVectorizationCostModel;
97
98 /// SingleBlockLoopVectorizer vectorizes loops which contain only one basic
99 /// block to a specified vectorization factor (VF).
100 /// This class performs the widening of scalars into vectors, or multiple
101 /// scalars. This class also implements the following features:
102 /// * It inserts an epilogue loop for handling loops that don't have iteration
103 ///   counts that are known to be a multiple of the vectorization factor.
104 /// * It handles the code generation for reduction variables.
105 /// * Scalarization (implementation using scalars) of un-vectorizable
106 ///   instructions.
107 /// SingleBlockLoopVectorizer does not perform any vectorization-legality
108 /// checks, and relies on the caller to check for the different legality
109 /// aspects. The SingleBlockLoopVectorizer relies on the
110 /// LoopVectorizationLegality class to provide information about the induction
111 /// and reduction variables that were found to a given vectorization factor.
112 class SingleBlockLoopVectorizer {
113 public:
114   /// Ctor.
115   SingleBlockLoopVectorizer(Loop *Orig, ScalarEvolution *Se, LoopInfo *Li,
116                             DominatorTree *Dt, DataLayout *Dl,
117                             unsigned VecWidth):
118   OrigLoop(Orig), SE(Se), LI(Li), DT(Dt), DL(Dl), VF(VecWidth),
119   Builder(Se->getContext()), Induction(0), OldInduction(0) { }
120
121   // Perform the actual loop widening (vectorization).
122   void vectorize(LoopVectorizationLegality *Legal) {
123     // Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
124     createEmptyLoop(Legal);
125     // Widen each instruction in the old loop to a new one in the new loop.
126     // Use the Legality module to find the induction and reduction variables.
127     vectorizeLoop(Legal);
128     // Register the new loop and update the analysis passes.
129     updateAnalysis();
130  }
131
132 private:
133   /// Add code that checks at runtime if the accessed arrays overlap.
134   /// Returns the comperator value or NULL if no check is needed.
135   Value *addRuntimeCheck(LoopVectorizationLegality *Legal,
136                          Instruction *Loc);
137   /// Create an empty loop, based on the loop ranges of the old loop.
138   void createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
139   /// Copy and widen the instructions from the old loop.
140   void vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
141   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager
142   /// and update the analysis passes.
143   void updateAnalysis();
144
145   /// This instruction is un-vectorizable. Implement it as a sequence
146   /// of scalars.
147   void scalarizeInstruction(Instruction *Instr);
148
149   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
150   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
151   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
152   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
153   /// element.
154   Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
155
156   /// This is a helper function used by getBroadcastInstrs. It adds 0, 1, 2 ..
157   /// for each element in the vector. Starting from zero.
158   Value *getConsecutiveVector(Value* Val);
159
160   /// When we go over instructions in the basic block we rely on previous
161   /// values within the current basic block or on loop invariant values.
162   /// When we widen (vectorize) values we place them in the map. If the values
163   /// are not within the map, they have to be loop invariant, so we simply
164   /// broadcast them into a vector.
165   Value *getVectorValue(Value *V);
166
167   /// Get a uniform vector of constant integers. We use this to get
168   /// vectors of ones and zeros for the reduction code.
169   Constant* getUniformVector(unsigned Val, Type* ScalarTy);
170
171   typedef DenseMap<Value*, Value*> ValueMap;
172
173   /// The original loop.
174   Loop *OrigLoop;
175   // Scev analysis to use.
176   ScalarEvolution *SE;
177   // Loop Info.
178   LoopInfo *LI;
179   // Dominator Tree.
180   DominatorTree *DT;
181   // Data Layout.
182   DataLayout *DL;
183   // The vectorization factor to use.
184   unsigned VF;
185
186   // The builder that we use
187   IRBuilder<> Builder;
188
189   // --- Vectorization state ---
190
191   /// The vector-loop preheader.
192   BasicBlock *LoopVectorPreHeader;
193   /// The scalar-loop preheader.
194   BasicBlock *LoopScalarPreHeader;
195   /// Middle Block between the vector and the scalar.
196   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
197   ///The ExitBlock of the scalar loop.
198   BasicBlock *LoopExitBlock;
199   ///The vector loop body.
200   BasicBlock *LoopVectorBody;
201   ///The scalar loop body.
202   BasicBlock *LoopScalarBody;
203   ///The first bypass block.
204   BasicBlock *LoopBypassBlock;
205
206   /// The new Induction variable which was added to the new block.
207   PHINode *Induction;
208   /// The induction variable of the old basic block.
209   PHINode *OldInduction;
210   // Maps scalars to widened vectors.
211   ValueMap WidenMap;
212 };
213
214 /// LoopVectorizationLegality checks if it is legal to vectorize a loop, and
215 /// to what vectorization factor.
216 /// This class does not look at the profitability of vectorization, only the
217 /// legality. This class has two main kinds of checks:
218 /// * Memory checks - The code in canVectorizeMemory checks if vectorization
219 ///   will change the order of memory accesses in a way that will change the
220 ///   correctness of the program.
221 /// * Scalars checks - The code in canVectorizeBlock checks for a number
222 ///   of different conditions, such as the availability of a single induction
223 ///   variable, that all types are supported and vectorize-able, etc.
224 /// This code reflects the capabilities of SingleBlockLoopVectorizer.
225 /// This class is also used by SingleBlockLoopVectorizer for identifying
226 /// induction variable and the different reduction variables.
227 class LoopVectorizationLegality {
228 public:
229   LoopVectorizationLegality(Loop *Lp, ScalarEvolution *Se, DataLayout *Dl):
230   TheLoop(Lp), SE(Se), DL(Dl), Induction(0) { }
231
232   /// This represents the kinds of reductions that we support.
233   enum ReductionKind {
234     NoReduction, /// Not a reduction.
235     IntegerAdd,  /// Sum of numbers.
236     IntegerMult, /// Product of numbers.
237     IntegerOr,   /// Bitwise or logical OR of numbers.
238     IntegerAnd,  /// Bitwise or logical AND of numbers.
239     IntegerXor   /// Bitwise or logical XOR of numbers.
240   };
241
242   /// This POD struct holds information about reduction variables.
243   struct ReductionDescriptor {
244     // Default C'tor
245     ReductionDescriptor():
246     StartValue(0), LoopExitInstr(0), Kind(NoReduction) {}
247
248     // C'tor.
249     ReductionDescriptor(Value *Start, Instruction *Exit, ReductionKind K):
250     StartValue(Start), LoopExitInstr(Exit), Kind(K) {}
251
252     // The starting value of the reduction.
253     // It does not have to be zero!
254     Value *StartValue;
255     // The instruction who's value is used outside the loop.
256     Instruction *LoopExitInstr;
257     // The kind of the reduction.
258     ReductionKind Kind;
259   };
260
261   // This POD struct holds information about the memory runtime legality
262   // check that a group of pointers do not overlap.
263   struct RuntimePointerCheck {
264     RuntimePointerCheck(): Need(false) {}
265
266     /// Reset the state of the pointer runtime information.
267     void reset() {
268       Need = false;
269       Pointers.clear();
270       Starts.clear();
271       Ends.clear();
272     }
273
274     /// Insert a pointer and calculate the start and end SCEVs.
275     void insert(ScalarEvolution *SE, Loop *Lp, Value *Ptr) {
276       const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
277       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Sc);
278       assert(AR && "Invalid addrec expression");
279       const SCEV *Ex = SE->getExitCount(Lp, Lp->getHeader());
280       const SCEV *ScEnd = AR->evaluateAtIteration(Ex, *SE);
281       Pointers.push_back(Ptr);
282       Starts.push_back(AR->getStart());
283       Ends.push_back(ScEnd);
284     }
285
286     /// This flag indicates if we need to add the runtime check.
287     bool Need;
288     /// Holds the pointers that we need to check.
289     SmallVector<Value*, 2> Pointers;
290     /// Holds the pointer value at the beginning of the loop.
291     SmallVector<const SCEV*, 2> Starts;
292     /// Holds the pointer value at the end of the loop.
293     SmallVector<const SCEV*, 2> Ends;
294   };
295
296   /// ReductionList contains the reduction descriptors for all
297   /// of the reductions that were found in the loop.
298   typedef DenseMap<PHINode*, ReductionDescriptor> ReductionList;
299
300   /// InductionList saves induction variables and maps them to the initial
301   /// value entring the loop.
302   typedef DenseMap<PHINode*, Value*> InductionList;
303
304   /// Returns true if it is legal to vectorize this loop.
305   /// This does not mean that it is profitable to vectorize this
306   /// loop, only that it is legal to do so.
307   bool canVectorize();
308
309   /// Returns the Induction variable.
310   PHINode *getInduction() {return Induction;}
311
312   /// Returns the reduction variables found in the loop.
313   ReductionList *getReductionVars() { return &Reductions; }
314
315   /// Returns the induction variables found in the loop.
316   InductionList *getInductionVars() { return &Inductions; }
317
318   /// Check if this  pointer is consecutive when vectorizing. This happens
319   /// when the last index of the GEP is the induction variable, or that the
320   /// pointer itself is an induction variable.
321   /// This check allows us to vectorize A[idx] into a wide load/store.
322   bool isConsecutivePtr(Value *Ptr);
323
324   /// Returns true if the value V is uniform within the loop.
325   bool isUniform(Value *V);
326
327   /// Returns true if this instruction will remain scalar after vectorization.
328   bool isUniformAfterVectorization(Instruction* I) {return Uniforms.count(I);}
329
330   /// Returns the information that we collected about runtime memory check.
331   RuntimePointerCheck *getRuntimePointerCheck() {return &PtrRtCheck; }
332 private:
333   /// Check if a single basic block loop is vectorizable.
334   /// At this point we know that this is a loop with a constant trip count
335   /// and we only need to check individual instructions.
336   bool canVectorizeBlock(BasicBlock &BB);
337
338   /// When we vectorize loops we may change the order in which
339   /// we read and write from memory. This method checks if it is
340   /// legal to vectorize the code, considering only memory constrains.
341   /// Returns true if BB is vectorizable
342   bool canVectorizeMemory(BasicBlock &BB);
343
344   /// Returns True, if 'Phi' is the kind of reduction variable for type
345   /// 'Kind'. If this is a reduction variable, it adds it to ReductionList.
346   bool AddReductionVar(PHINode *Phi, ReductionKind Kind);
347   /// Returns true if the instruction I can be a reduction variable of type
348   /// 'Kind'.
349   bool isReductionInstr(Instruction *I, ReductionKind Kind);
350   /// Returns True, if 'Phi' is an induction variable.
351   bool isInductionVariable(PHINode *Phi);
352   /// Return true if can compute the address bounds of Ptr within the loop.
353   bool hasComputableBounds(Value *Ptr);
354
355   /// The loop that we evaluate.
356   Loop *TheLoop;
357   /// Scev analysis.
358   ScalarEvolution *SE;
359   /// DataLayout analysis.
360   DataLayout *DL;
361
362   //  ---  vectorization state --- //
363
364   /// Holds the integer induction variable. This is the counter of the
365   /// loop.
366   PHINode *Induction;
367   /// Holds the reduction variables.
368   ReductionList Reductions;
369   /// Holds all of the induction variables that we found in the loop.
370   /// Notice that inductions don't need to start at zero and that induction
371   /// variables can be pointers.
372   InductionList Inductions;
373
374   /// Allowed outside users. This holds the reduction
375   /// vars which can be accessed from outside the loop.
376   SmallPtrSet<Value*, 4> AllowedExit;
377   /// This set holds the variables which are known to be uniform after
378   /// vectorization.
379   SmallPtrSet<Instruction*, 4> Uniforms;
380   /// We need to check that all of the pointers in this list are disjoint
381   /// at runtime.
382   RuntimePointerCheck PtrRtCheck;
383 };
384
385 /// LoopVectorizationCostModel - estimates the expected speedups due to
386 /// vectorization.
387 /// In many cases vectorization is not profitable. This can happen because
388 /// of a number of reasons. In this class we mainly attempt to predict
389 /// the expected speedup/slowdowns due to the supported instruction set.
390 /// We use the VectorTargetTransformInfo to query the different backends
391 /// for the cost of different operations.
392 class LoopVectorizationCostModel {
393 public:
394   /// C'tor.
395   LoopVectorizationCostModel(Loop *Lp, ScalarEvolution *Se,
396                              LoopVectorizationLegality *Leg,
397                              const VectorTargetTransformInfo *Vtti):
398   TheLoop(Lp), SE(Se), Legal(Leg), VTTI(Vtti) { }
399
400   /// Returns the most profitable vectorization factor for the loop that is
401   /// smaller or equal to the VF argument. This method checks every power
402   /// of two up to VF.
403   unsigned findBestVectorizationFactor(unsigned VF = MaxVectorSize);
404
405 private:
406   /// Returns the expected execution cost. The unit of the cost does
407   /// not matter because we use the 'cost' units to compare different
408   /// vector widths. The cost that is returned is *not* normalized by
409   /// the factor width.
410   unsigned expectedCost(unsigned VF);
411
412   /// Returns the execution time cost of an instruction for a given vector
413   /// width. Vector width of one means scalar.
414   unsigned getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
415
416   /// A helper function for converting Scalar types to vector types.
417   /// If the incoming type is void, we return void. If the VF is 1, we return
418   /// the scalar type.
419   static Type* ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF);
420
421   /// The loop that we evaluate.
422   Loop *TheLoop;
423   /// Scev analysis.
424   ScalarEvolution *SE;
425
426   /// Vectorization legality.
427   LoopVectorizationLegality *Legal;
428   /// Vector target information.
429   const VectorTargetTransformInfo *VTTI;
430 };
431
432 struct LoopVectorize : public LoopPass {
433   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
434
435   LoopVectorize() : LoopPass(ID) {
436     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
437   }
438
439   ScalarEvolution *SE;
440   DataLayout *DL;
441   LoopInfo *LI;
442   TargetTransformInfo *TTI;
443   DominatorTree *DT;
444
445   virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
446     // We only vectorize innermost loops.
447     if (!L->empty())
448       return false;
449
450     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
451     DL = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
452     LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
453     TTI = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfo>();
454     DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
455
456     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking a loop in \"" <<
457           L->getHeader()->getParent()->getName() << "\"\n");
458
459     // Check if it is legal to vectorize the loop.
460     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DL);
461     if (!LVL.canVectorize()) {
462       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing.\n");
463       return false;
464     }
465
466     // Select the preffered vectorization factor.
467     unsigned VF = 1;
468     if (VectorizationFactor == 0) {
469       const VectorTargetTransformInfo *VTTI = 0;
470       if (TTI)
471         VTTI = TTI->getVectorTargetTransformInfo();
472       // Use the cost model.
473       LoopVectorizationCostModel CM(L, SE, &LVL, VTTI);
474       VF = CM.findBestVectorizationFactor();
475
476       if (VF == 1) {
477         DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial.\n");
478         return false;
479       }
480
481     } else {
482       // Use the user command flag.
483       VF = VectorizationFactor;
484     }
485
486     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop ("<< VF << ") in "<<
487           L->getHeader()->getParent()->getParent()->getModuleIdentifier()<<
488           "\n");
489
490     // If we decided that it is *legal* to vectorizer the loop then do it.
491     SingleBlockLoopVectorizer LB(L, SE, LI, DT, DL, VF);
492     LB.vectorize(&LVL);
493
494     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
495     return true;
496   }
497
498   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
499     LoopPass::getAnalysisUsage(AU);
500     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
501     AU.addRequiredID(LCSSAID);
502     AU.addRequired<LoopInfo>();
503     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
504     AU.addRequired<DominatorTree>();
505     AU.addPreserved<LoopInfo>();
506     AU.addPreserved<DominatorTree>();
507   }
508
509 };
510
511 Value *SingleBlockLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
512   // Create the types.
513   LLVMContext &C = V->getContext();
514   Type *VTy = VectorType::get(V->getType(), VF);
515   Type *I32 = IntegerType::getInt32Ty(C);
516
517   // Save the current insertion location.
518   Instruction *Loc = Builder.GetInsertPoint();
519
520   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop.
521   bool Invariant = (OrigLoop->isLoopInvariant(V) && V != Induction);
522
523   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
524   if (Invariant)
525     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
526
527   Constant *Zero = ConstantInt::get(I32, 0);
528   Value *Zeros = ConstantAggregateZero::get(VectorType::get(I32, VF));
529   Value *UndefVal = UndefValue::get(VTy);
530   // Insert the value into a new vector.
531   Value *SingleElem = Builder.CreateInsertElement(UndefVal, V, Zero);
532   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
533   Value *Shuf = Builder.CreateShuffleVector(SingleElem, UndefVal, Zeros,
534                                              "broadcast");
535
536   // Restore the builder insertion point.
537   if (Invariant)
538     Builder.SetInsertPoint(Loc);
539
540   return Shuf;
541 }
542
543 Value *SingleBlockLoopVectorizer::getConsecutiveVector(Value* Val) {
544   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
545   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
546          "Elem must be an integer");
547   // Create the types.
548   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
549   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
550   unsigned VLen = Ty->getNumElements();
551   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
552
553   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
554   for (unsigned i = 0; i < VLen; ++i)
555     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, i));
556
557   // Add the consecutive indices to the vector value.
558   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
559   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
560   return Builder.CreateAdd(Val, Cv, "induction");
561 }
562
563 bool LoopVectorizationLegality::isConsecutivePtr(Value *Ptr) {
564   assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected non ptr");
565
566   // If this pointer is an induction variable, return it.
567   PHINode *Phi = dyn_cast_or_null<PHINode>(Ptr);
568   if (Phi && getInductionVars()->count(Phi))
569     return true;
570
571   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast_or_null<GetElementPtrInst>(Ptr);
572   if (!Gep)
573     return false;
574
575   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
576   Value *LastIndex = Gep->getOperand(NumOperands - 1);
577
578   // Check that all of the gep indices are uniform except for the last.
579   for (unsigned i = 0; i < NumOperands - 1; ++i)
580     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
581       return false;
582
583   // We can emit wide load/stores only if the last index is the induction
584   // variable.
585   const SCEV *Last = SE->getSCEV(LastIndex);
586   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
587     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
588
589     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
590     // and all other indices are loop invariant.
591     if (Step->isOne())
592       return true;
593   }
594
595   return false;
596 }
597
598 bool LoopVectorizationLegality::isUniform(Value *V) {
599   return (SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(V), TheLoop));
600 }
601
602 Value *SingleBlockLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
603   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
604   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
605   // If we saved a vectorized copy of V, use it.
606   Value *&MapEntry = WidenMap[V];
607   if (MapEntry)
608     return MapEntry;
609
610   // Broadcast V and save the value for future uses.
611   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
612   MapEntry = B;
613   return B;
614 }
615
616 Constant*
617 SingleBlockLoopVectorizer::getUniformVector(unsigned Val, Type* ScalarTy) {
618   return ConstantVector::getSplat(VF, ConstantInt::get(ScalarTy, Val, true));
619 }
620
621 void SingleBlockLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr) {
622   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
623   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
624   SmallVector<Value*, 8> Params;
625
626   // Find all of the vectorized parameters.
627   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
628     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
629
630     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
631     if (SrcOp == OldInduction) {
632       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
633       continue;
634     }
635
636     // Try using previously calculated values.
637     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
638
639     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
640     // then it should already be vectorized.
641     if (SrcInst && SrcInst->getParent() == Instr->getParent()) {
642       assert(WidenMap.count(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
643       // The parameter is a vector value from earlier.
644       Params.push_back(WidenMap[SrcInst]);
645     } else {
646       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
647       Params.push_back(SrcOp);
648     }
649   }
650
651   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
652          "Invalid number of operands");
653
654   // Does this instruction return a value ?
655   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
656   Value *VecResults = 0;
657
658   // If we have a return value, create an empty vector. We place the scalarized
659   // instructions in this vector.
660   if (!IsVoidRetTy)
661     VecResults = UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
662
663   // For each scalar that we create:
664   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
665     Instruction *Cloned = Instr->clone();
666     if (!IsVoidRetTy)
667       Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
668     // Replace the operands of the cloned instrucions with extracted scalars.
669     for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
670       Value *Op = Params[op];
671       // Param is a vector. Need to extract the right lane.
672       if (Op->getType()->isVectorTy())
673         Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(i));
674       Cloned->setOperand(op, Op);
675     }
676
677     // Place the cloned scalar in the new loop.
678     Builder.Insert(Cloned);
679
680     // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
681     // so that future users will be able to use it.
682     if (!IsVoidRetTy)
683       VecResults = Builder.CreateInsertElement(VecResults, Cloned,
684                                                Builder.getInt32(i));
685   }
686
687   if (!IsVoidRetTy)
688     WidenMap[Instr] = VecResults;
689 }
690
691 Value*
692 SingleBlockLoopVectorizer::addRuntimeCheck(LoopVectorizationLegality *Legal,
693                                            Instruction *Loc) {
694   LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck *PtrRtCheck =
695     Legal->getRuntimePointerCheck();
696
697   if (!PtrRtCheck->Need)
698     return NULL;
699
700   Value *MemoryRuntimeCheck = 0;
701   unsigned NumPointers = PtrRtCheck->Pointers.size();
702   SmallVector<Value* , 2> Starts;
703   SmallVector<Value* , 2> Ends;
704
705   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
706
707   // Use this type for pointer arithmetic.
708   Type* PtrArithTy = PtrRtCheck->Pointers[0]->getType();
709
710   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
711     Value *Ptr = PtrRtCheck->Pointers[i];
712     const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
713
714     if (SE->isLoopInvariant(Sc, OrigLoop)) {
715       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for a loop invariant ptr:" <<
716             *Ptr <<"\n");
717       Starts.push_back(Ptr);
718       Ends.push_back(Ptr);
719     } else {
720       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for range:" << *Ptr <<"\n");
721
722       Value *Start = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Starts[i],
723                                        PtrArithTy, Loc);
724       Value *End = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Ends[i], PtrArithTy, Loc);
725       Starts.push_back(Start);
726       Ends.push_back(End);
727     }
728   }
729
730   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
731     for (unsigned j = i+1; j < NumPointers; ++j) {
732       Value *Cmp0 = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_ULE,
733                                     Starts[i], Ends[j], "bound0", Loc);
734       Value *Cmp1 = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_ULE,
735                                     Starts[j], Ends[i], "bound1", Loc);
736       Value *IsConflict = BinaryOperator::Create(Instruction::And, Cmp0, Cmp1,
737                                                  "found.conflict", Loc);
738       if (MemoryRuntimeCheck)
739         MemoryRuntimeCheck = BinaryOperator::Create(Instruction::Or,
740                                                     MemoryRuntimeCheck,
741                                                     IsConflict,
742                                                     "conflict.rdx", Loc);
743       else
744         MemoryRuntimeCheck = IsConflict;
745
746     }
747   }
748
749   return MemoryRuntimeCheck;
750 }
751
752 void
753 SingleBlockLoopVectorizer::createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
754   /*
755    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
756    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
757    scalar remainder.
758
759     [ ] <-- vector loop bypass.
760   /  |
761  /   v
762 |   [ ]     <-- vector pre header.
763 |    |
764 |    v
765 |   [  ] \
766 |   [  ]_|   <-- vector loop.
767 |    |
768  \   v
769    >[ ]   <--- middle-block.
770   /  |
771  /   v
772 |   [ ]     <--- new preheader.
773 |    |
774 |    v
775 |   [ ] \
776 |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
777  \   |
778   \  v
779    >[ ]     <-- exit block.
780    ...
781    */
782
783   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
784   BasicBlock *BypassBlock = OrigLoop->getLoopPreheader();
785   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
786   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
787
788   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
789   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
790   // induction variables. In the code below we also support a case where we
791   // don't have a single induction variable.
792   OldInduction = Legal->getInduction();
793   Type *IdxTy = OldInduction ? OldInduction->getType() :
794     DL->getIntPtrType(SE->getContext());
795
796   // Find the loop boundaries.
797   const SCEV *ExitCount = SE->getExitCount(OrigLoop, OrigLoop->getHeader());
798   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
799
800   // Get the total trip count from the count by adding 1.
801   ExitCount = SE->getAddExpr(ExitCount,
802                              SE->getConstant(ExitCount->getType(), 1));
803
804   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
805   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
806   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
807
808   // Count holds the overall loop count (N).
809   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
810                                    BypassBlock->getTerminator());
811
812   // The loop index does not have to start at Zero. Find the original start
813   // value from the induction PHI node. If we don't have an induction variable
814   // then we know that it starts at zero.
815   Value *StartIdx = OldInduction ?
816     OldInduction->getIncomingValueForBlock(BypassBlock):
817     ConstantInt::get(IdxTy, 0);
818
819   assert(OrigLoop->getNumBlocks() == 1 && "Invalid loop");
820   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
821
822   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap.
823   Value *MemoryRuntimeCheck = addRuntimeCheck(Legal,
824                                               BypassBlock->getTerminator());
825
826   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
827   BasicBlock *VectorPH =
828       BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
829   BasicBlock *VecBody =
830     VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
831   BasicBlock *MiddleBlock =
832     VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
833   BasicBlock *ScalarPH =
834     MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
835
836   // This is the location in which we add all of the logic for bypassing
837   // the new vector loop.
838   Instruction *Loc = BypassBlock->getTerminator();
839
840   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
841   // inside the loop.
842   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
843
844   // Generate the induction variable.
845   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
846   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF);
847
848   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
849   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
850   if (Count->getType() != IdxTy) {
851     // The exit count can be of pointer type. Convert it to the correct
852     // integer type.
853     if (ExitCount->getType()->isPointerTy())
854       Count = CastInst::CreatePointerCast(Count, IdxTy, "ptrcnt.to.int", Loc);
855     else
856       Count = CastInst::CreateZExtOrBitCast(Count, IdxTy, "zext.cnt", Loc);
857   }
858
859   // Add the start index to the loop count to get the new end index.
860   Value *IdxEnd = BinaryOperator::CreateAdd(Count, StartIdx, "end.idx", Loc);
861
862   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
863   // the part that the vectorized body will execute.
864   Constant *CIVF = ConstantInt::get(IdxTy, VF);
865   Value *R = BinaryOperator::CreateURem(Count, CIVF, "n.mod.vf", Loc);
866   Value *CountRoundDown = BinaryOperator::CreateSub(Count, R, "n.vec", Loc);
867   Value *IdxEndRoundDown = BinaryOperator::CreateAdd(CountRoundDown, StartIdx,
868                                                      "end.idx.rnd.down", Loc);
869
870   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
871   // jump to the scalar loop.
872   Value *Cmp = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ,
873                                IdxEndRoundDown,
874                                StartIdx,
875                                "cmp.zero", Loc);
876
877   // If we are using memory runtime checks, include them in.
878   if (MemoryRuntimeCheck)
879     Cmp = BinaryOperator::Create(Instruction::Or, Cmp, MemoryRuntimeCheck,
880                                  "CntOrMem", Loc);
881
882   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp, Loc);
883   // Remove the old terminator.
884   Loc->eraseFromParent();
885
886   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
887   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
888   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
889   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
890   // iteration in the vectorized loop.
891   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original start
892   // value.
893
894   // This variable saves the new starting index for the scalar loop.
895   PHINode *ResumeIndex = 0;
896   LoopVectorizationLegality::InductionList::iterator I, E;
897   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
898   for (I = List->begin(), E = List->end(); I != E; ++I) {
899     PHINode *OrigPhi = I->first;
900     PHINode *ResumeVal = PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "resume.val",
901                                            MiddleBlock->getTerminator());
902     Value *EndValue = 0;
903     if (OrigPhi->getType()->isIntegerTy()) {
904       // Handle the integer induction counter:
905       assert(OrigPhi == OldInduction && "Unknown integer PHI");
906       // We know what the end value is.
907       EndValue = IdxEndRoundDown;
908       // We also know which PHI node holds it.
909       ResumeIndex = ResumeVal;
910     } else {
911       // For pointer induction variables, calculate the offset using
912       // the end index.
913       EndValue = GetElementPtrInst::Create(I->second, CountRoundDown,
914                                            "ptr.ind.end",
915                                            BypassBlock->getTerminator());
916     }
917
918     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
919     // or the value at the end of the vectorized loop.
920     ResumeVal->addIncoming(I->second, BypassBlock);
921     ResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
922
923     // Fix the scalar body counter (PHI node).
924     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
925     OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, ResumeVal);
926   }
927
928   // If we are generating a new induction variable then we also need to
929   // generate the code that calculates the exit value. This value is not
930   // simply the end of the counter because we may skip the vectorized body
931   // in case of a runtime check.
932   if (!OldInduction){
933     assert(!ResumeIndex && "Unexpected resume value found");
934     ResumeIndex = PHINode::Create(IdxTy, 2, "new.indc.resume.val",
935                                   MiddleBlock->getTerminator());
936     ResumeIndex->addIncoming(StartIdx, BypassBlock);
937     ResumeIndex->addIncoming(IdxEndRoundDown, VecBody);
938   }
939
940   // Make sure that we found the index where scalar loop needs to continue.
941   assert(ResumeIndex && ResumeIndex->getType()->isIntegerTy() &&
942          "Invalid resume Index");
943
944   // Add a check in the middle block to see if we have completed
945   // all of the iterations in the first vector loop.
946   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
947   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, IdxEnd,
948                                 ResumeIndex, "cmp.n",
949                                 MiddleBlock->getTerminator());
950
951   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
952   // Remove the old terminator.
953   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
954
955   // Create i+1 and fill the PHINode.
956   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
957   Induction->addIncoming(StartIdx, VectorPH);
958   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
959   // Create the compare.
960   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, IdxEndRoundDown);
961   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
962
963   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
964   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
965
966   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
967   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
968
969   // Create and register the new vector loop.
970   Loop* Lp = new Loop();
971   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
972
973   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks.
974   if (ParentLoop) {
975     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
976     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, LI->getBase());
977     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, LI->getBase());
978     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, LI->getBase());
979   } else {
980     LI->addTopLevelLoop(Lp);
981   }
982
983   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, LI->getBase());
984
985   // Save the state.
986   LoopVectorPreHeader = VectorPH;
987   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
988   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
989   LoopExitBlock = ExitBlock;
990   LoopVectorBody = VecBody;
991   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
992   LoopBypassBlock = BypassBlock;
993 }
994
995 /// This function returns the identity element (or neutral element) for
996 /// the operation K.
997 static unsigned
998 getReductionIdentity(LoopVectorizationLegality::ReductionKind K) {
999   switch (K) {
1000   case LoopVectorizationLegality::IntegerXor:
1001   case LoopVectorizationLegality::IntegerAdd:
1002   case LoopVectorizationLegality::IntegerOr:
1003     // Adding, Xoring, Oring zero to a number does not change it.
1004     return 0;
1005   case LoopVectorizationLegality::IntegerMult:
1006     // Multiplying a number by 1 does not change it.
1007     return 1;
1008   case LoopVectorizationLegality::IntegerAnd:
1009     // AND-ing a number with an all-1 value does not change it.
1010     return -1;
1011   default:
1012     llvm_unreachable("Unknown reduction kind");
1013   }
1014 }
1015
1016 void
1017 SingleBlockLoopVectorizer::vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
1018   //===------------------------------------------------===//
1019   //
1020   // Notice: any optimization or new instruction that go
1021   // into the code below should be also be implemented in
1022   // the cost-model.
1023   //
1024   //===------------------------------------------------===//
1025   typedef SmallVector<PHINode*, 4> PhiVector;
1026   BasicBlock &BB = *OrigLoop->getHeader();
1027   Constant *Zero = ConstantInt::get(
1028     IntegerType::getInt32Ty(BB.getContext()), 0);
1029
1030   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
1031   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
1032   // stages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
1033   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
1034   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
1035   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
1036   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
1037   // construct the PHI.
1038   PhiVector RdxPHIsToFix;
1039
1040   // For each instruction in the old loop.
1041   for (BasicBlock::iterator it = BB.begin(), e = BB.end(); it != e; ++it) {
1042     Instruction *Inst = it;
1043
1044     switch (Inst->getOpcode()) {
1045       case Instruction::Br:
1046         // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
1047         // loop control flow instructions.
1048         continue;
1049       case Instruction::PHI:{
1050         PHINode* P = cast<PHINode>(Inst);
1051         // Handle reduction variables:
1052         if (Legal->getReductionVars()->count(P)) {
1053           // This is phase one of vectorizing PHIs.
1054           Type *VecTy = VectorType::get(Inst->getType(), VF);
1055           WidenMap[Inst] = PHINode::Create(VecTy, 2, "vec.phi",
1056                                   LoopVectorBody->getFirstInsertionPt());
1057           RdxPHIsToFix.push_back(P);
1058           continue;
1059         }
1060
1061         // This PHINode must be an induction variable.
1062         // Make sure that we know about it.
1063         assert(Legal->getInductionVars()->count(P) &&
1064                "Not an induction variable");
1065
1066         if (P->getType()->isIntegerTy()) {
1067           assert(P == OldInduction && "Unexpected PHI");
1068           Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(Induction);
1069           // After broadcasting the induction variable we need to make the
1070           // vector consecutive by adding 0, 1, 2 ...
1071           Value *ConsecutiveInduction = getConsecutiveVector(Broadcasted);
1072            
1073           WidenMap[OldInduction] = ConsecutiveInduction;
1074           continue;
1075         }
1076
1077         // Handle pointer inductions.
1078         assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
1079         Value *StartIdx = OldInduction ?
1080           Legal->getInductionVars()->lookup(OldInduction) :
1081           ConstantInt::get(Induction->getType(), 0);
1082
1083         // This is the pointer value coming into the loop.
1084         Value *StartPtr = Legal->getInductionVars()->lookup(P);
1085
1086         // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
1087         Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, StartIdx,
1088                                                  "normalized.idx");
1089
1090         // This is the vector of results. Notice that we don't generate vector
1091         // geps because scalar geps result in better code.
1092         Value *VecVal = UndefValue::get(VectorType::get(P->getType(), VF));
1093         for (unsigned int i = 0; i < VF; ++i) {
1094           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), i);
1095           Value *GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
1096           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(StartPtr, GlobalIdx, "next.gep");
1097           VecVal = Builder.CreateInsertElement(VecVal, SclrGep,
1098                                                Builder.getInt32(i),
1099                                                "insert.gep");
1100         }
1101
1102         WidenMap[Inst] = VecVal;
1103         continue;
1104       }
1105       case Instruction::Add:
1106       case Instruction::FAdd:
1107       case Instruction::Sub:
1108       case Instruction::FSub:
1109       case Instruction::Mul:
1110       case Instruction::FMul:
1111       case Instruction::UDiv:
1112       case Instruction::SDiv:
1113       case Instruction::FDiv:
1114       case Instruction::URem:
1115       case Instruction::SRem:
1116       case Instruction::FRem:
1117       case Instruction::Shl:
1118       case Instruction::LShr:
1119       case Instruction::AShr:
1120       case Instruction::And:
1121       case Instruction::Or:
1122       case Instruction::Xor: {
1123         // Just widen binops.
1124         BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Inst);
1125         Value *A = getVectorValue(Inst->getOperand(0));
1126         Value *B = getVectorValue(Inst->getOperand(1));
1127
1128         // Use this vector value for all users of the original instruction.
1129         Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A, B);
1130         WidenMap[Inst] = V;
1131
1132         // Update the NSW, NUW and Exact flags.
1133         BinaryOperator *VecOp = cast<BinaryOperator>(V);
1134         if (isa<OverflowingBinaryOperator>(BinOp)) {
1135           VecOp->setHasNoSignedWrap(BinOp->hasNoSignedWrap());
1136           VecOp->setHasNoUnsignedWrap(BinOp->hasNoUnsignedWrap());
1137         }
1138         if (isa<PossiblyExactOperator>(VecOp))
1139           VecOp->setIsExact(BinOp->isExact());
1140         break;
1141       }
1142       case Instruction::Select: {
1143         // Widen selects.
1144         // If the selector is loop invariant we can create a select
1145         // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
1146         Value *Cond = Inst->getOperand(0);
1147         bool InvariantCond = SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Cond), OrigLoop);
1148
1149         // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
1150         // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
1151         // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
1152         // Instcombine will make this a no-op.
1153         Cond = getVectorValue(Cond);
1154         if (InvariantCond)
1155           Cond = Builder.CreateExtractElement(Cond, Builder.getInt32(0));
1156
1157         Value *Op0 = getVectorValue(Inst->getOperand(1));
1158         Value *Op1 = getVectorValue(Inst->getOperand(2));
1159         WidenMap[Inst] = Builder.CreateSelect(Cond, Op0, Op1);
1160         break;
1161       }
1162
1163       case Instruction::ICmp:
1164       case Instruction::FCmp: {
1165         // Widen compares. Generate vector compares.
1166         bool FCmp = (Inst->getOpcode() == Instruction::FCmp);
1167         CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(Inst);
1168         Value *A = getVectorValue(Inst->getOperand(0));
1169         Value *B = getVectorValue(Inst->getOperand(1));
1170         if (FCmp)
1171           WidenMap[Inst] = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A, B);
1172         else
1173           WidenMap[Inst] = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A, B);
1174         break;
1175       }
1176
1177       case Instruction::Store: {
1178         // Attempt to issue a wide store.
1179         StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst);
1180         Type *StTy = VectorType::get(SI->getValueOperand()->getType(), VF);
1181         Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
1182         unsigned Alignment = SI->getAlignment();
1183
1184         assert(!Legal->isUniform(Ptr) &&
1185                "We do not allow storing to uniform addresses");
1186
1187         GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
1188
1189         // This store does not use GEPs.
1190         if (!Legal->isConsecutivePtr(Ptr)) {
1191           scalarizeInstruction(Inst);
1192           break;
1193         }
1194
1195         if (Gep) {
1196           // The last index does not have to be the induction. It can be
1197           // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
1198           unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1199           Value *LastIndex = getVectorValue(Gep->getOperand(NumOperands - 1));
1200           LastIndex = Builder.CreateExtractElement(LastIndex, Zero);
1201
1202           // Create the new GEP with the new induction variable.
1203           GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1204           Gep2->setOperand(NumOperands - 1, LastIndex);
1205           Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1206         } else {
1207           // Use the induction element ptr.
1208           assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
1209           Ptr = Builder.CreateExtractElement(getVectorValue(Ptr), Zero);
1210         }
1211         Ptr = Builder.CreateBitCast(Ptr, StTy->getPointerTo());
1212         Value *Val = getVectorValue(SI->getValueOperand());
1213         Builder.CreateStore(Val, Ptr)->setAlignment(Alignment);
1214         break;
1215       }
1216       case Instruction::Load: {
1217         // Attempt to issue a wide load.
1218         LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst);
1219         Type *RetTy = VectorType::get(LI->getType(), VF);
1220         Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
1221         unsigned Alignment = LI->getAlignment();
1222         GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
1223
1224         // If the pointer is loop invariant or if it is non consecutive,
1225         // scalarize the load.
1226         bool Con = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
1227         if (Legal->isUniform(Ptr) || !Con) {
1228           scalarizeInstruction(Inst);
1229           break;
1230         }
1231
1232         if (Gep) {
1233           // The last index does not have to be the induction. It can be
1234           // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
1235           unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1236           Value *LastIndex = getVectorValue(Gep->getOperand(NumOperands -1));
1237           LastIndex = Builder.CreateExtractElement(LastIndex, Zero);
1238
1239           // Create the new GEP with the new induction variable.
1240           GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1241           Gep2->setOperand(NumOperands - 1, LastIndex);
1242           Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1243         } else {
1244           // Use the induction element ptr.
1245           assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
1246           Ptr = Builder.CreateExtractElement(getVectorValue(Ptr), Zero);
1247         }
1248
1249         Ptr = Builder.CreateBitCast(Ptr, RetTy->getPointerTo());
1250         LI = Builder.CreateLoad(Ptr);
1251         LI->setAlignment(Alignment);
1252         // Use this vector value for all users of the load.
1253         WidenMap[Inst] = LI;
1254         break;
1255       }
1256       case Instruction::ZExt:
1257       case Instruction::SExt:
1258       case Instruction::FPToUI:
1259       case Instruction::FPToSI:
1260       case Instruction::FPExt:
1261       case Instruction::PtrToInt:
1262       case Instruction::IntToPtr:
1263       case Instruction::SIToFP:
1264       case Instruction::UIToFP:
1265       case Instruction::Trunc:
1266       case Instruction::FPTrunc:
1267       case Instruction::BitCast: {
1268         /// Vectorize bitcasts.
1269         CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(Inst);
1270         Value *A = getVectorValue(Inst->getOperand(0));
1271         Type *DestTy = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
1272         WidenMap[Inst] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A, DestTy);
1273         break;
1274       }
1275
1276       default:
1277         /// All other instructions are unsupported. Scalarize them.
1278         scalarizeInstruction(Inst);
1279         break;
1280     }// end of switch.
1281   }// end of for_each instr.
1282
1283   // At this point every instruction in the original loop is widended to
1284   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
1285   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
1286   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
1287   // that we need to fix are reduction variables.
1288
1289   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
1290   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
1291   // after the loop is finished.
1292   for (PhiVector::iterator it = RdxPHIsToFix.begin(), e = RdxPHIsToFix.end();
1293        it != e; ++it) {
1294     PHINode *RdxPhi = *it;
1295     PHINode *VecRdxPhi = dyn_cast<PHINode>(WidenMap[RdxPhi]);
1296     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
1297
1298     // Find the reduction variable descriptor.
1299     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
1300            "Unable to find the reduction variable");
1301     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
1302       (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
1303
1304     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
1305     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and overide
1306     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
1307     // to do it in the vector-loop preheader.
1308     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlock->getTerminator());
1309
1310     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
1311     Value *VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
1312     Type *VecTy = VectorExit->getType();
1313
1314     // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
1315     // one for multiplication, -1 for And.
1316     Constant *Identity = getUniformVector(getReductionIdentity(RdxDesc.Kind),
1317                                           VecTy->getScalarType());
1318
1319     // This vector is the Identity vector where the first element is the
1320     // incoming scalar reduction.
1321     Value *VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
1322                                                     RdxDesc.StartValue, Zero);
1323
1324     // Fix the vector-loop phi.
1325     // We created the induction variable so we know that the
1326     // preheader is the first entry.
1327     BasicBlock *VecPreheader = Induction->getIncomingBlock(0);
1328
1329     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
1330     // any loop invariant values.
1331     VecRdxPhi->addIncoming(VectorStart, VecPreheader);
1332     unsigned SelfEdgeIdx = (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(LoopScalarBody);
1333     Value *Val = getVectorValue(RdxPhi->getIncomingValue(SelfEdgeIdx));
1334     VecRdxPhi->addIncoming(Val, LoopVectorBody);
1335
1336     // Before each round, move the insertion point right between
1337     // the PHIs and the values we are going to write.
1338     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
1339     // instructions.
1340     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
1341
1342     // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
1343     // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
1344     PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
1345     NewPhi->addIncoming(VectorStart, LoopBypassBlock);
1346     NewPhi->addIncoming(getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr), LoopVectorBody);
1347
1348     // Extract the first scalar.
1349     Value *Scalar0 =
1350       Builder.CreateExtractElement(NewPhi, Builder.getInt32(0));
1351     // Extract and reduce the remaining vector elements.
1352     for (unsigned i=1; i < VF; ++i) {
1353       Value *Scalar1 =
1354         Builder.CreateExtractElement(NewPhi, Builder.getInt32(i));
1355       switch (RdxDesc.Kind) {
1356         case LoopVectorizationLegality::IntegerAdd:
1357           Scalar0 = Builder.CreateAdd(Scalar0, Scalar1);
1358           break;
1359         case LoopVectorizationLegality::IntegerMult:
1360           Scalar0 = Builder.CreateMul(Scalar0, Scalar1);
1361           break;
1362         case LoopVectorizationLegality::IntegerOr:
1363           Scalar0 = Builder.CreateOr(Scalar0, Scalar1);
1364           break;
1365         case LoopVectorizationLegality::IntegerAnd:
1366           Scalar0 = Builder.CreateAnd(Scalar0, Scalar1);
1367           break;
1368         case LoopVectorizationLegality::IntegerXor:
1369           Scalar0 = Builder.CreateXor(Scalar0, Scalar1);
1370           break;
1371         default:
1372           llvm_unreachable("Unknown reduction operation");
1373       }
1374     }
1375
1376     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
1377     // inside and outside of the scalar remainder loop.
1378     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
1379     // PHI nodes in the exit blocks.
1380     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
1381          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
1382       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
1383       if (!LCSSAPhi) continue;
1384
1385       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
1386       // we already fixed them.
1387       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
1388
1389       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
1390       // incoming bypass edge.
1391       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
1392         // Add an edge coming from the bypass.
1393         LCSSAPhi->addIncoming(Scalar0, LoopMiddleBlock);
1394         break;
1395       }
1396     }// end of the LCSSA phi scan.
1397
1398     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
1399     // from the vector body and from the backedge value.
1400     int IncomingEdgeBlockIdx = (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(LoopScalarBody);
1401     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1); // The other block.
1402     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, Scalar0);
1403     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
1404   }// end of for each redux variable.
1405 }
1406
1407 void SingleBlockLoopVectorizer::updateAnalysis() {
1408   // Forget the original basic block.
1409   SE->forgetLoop(OrigLoop);
1410
1411   // Update the dominator tree information.
1412   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlock, LoopExitBlock) &&
1413          "Entry does not dominate exit.");
1414
1415   DT->addNewBlock(LoopVectorPreHeader, LoopBypassBlock);
1416   DT->addNewBlock(LoopVectorBody, LoopVectorPreHeader);
1417   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock, LoopBypassBlock);
1418   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopMiddleBlock);
1419   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
1420   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopMiddleBlock);
1421
1422   DEBUG(DT->verifyAnalysis());
1423 }
1424
1425 bool LoopVectorizationLegality::canVectorize() {
1426   assert(TheLoop->getLoopPreheader() && "No preheader!!");
1427
1428   // We can only vectorize single basic block loops.
1429   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
1430   if (NumBlocks != 1) {
1431     DEBUG(dbgs() << "LV: Too many blocks:" << NumBlocks << "\n");
1432     return false;
1433   }
1434
1435   // We need to have a loop header.
1436   BasicBlock *BB = TheLoop->getHeader();
1437   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " << BB->getName() << "\n");
1438
1439   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
1440   const SCEV *ExitCount = SE->getExitCount(TheLoop, BB);
1441   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
1442     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
1443     return false;
1444   }
1445
1446   // Do not loop-vectorize loops with a tiny trip count.
1447   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop, BB);
1448   if (TC > 0u && TC < TinyTripCountThreshold) {
1449     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. " <<
1450           "This loop is not worth vectorizing.\n");
1451     return false;
1452   }
1453
1454   // Go over each instruction and look at memory deps.
1455   if (!canVectorizeBlock(*BB)) {
1456     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize this loop header\n");
1457     return false;
1458   }
1459
1460   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop" <<
1461         (PtrRtCheck.Need ? " (with a runtime bound check)" : "")
1462         <<"!\n");
1463
1464   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
1465   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return true with
1466   // no restrictions.
1467   return true;
1468 }
1469
1470 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeBlock(BasicBlock &BB) {
1471
1472   BasicBlock *PreHeader = TheLoop->getLoopPreheader();
1473
1474   // Scan the instructions in the block and look for hazards.
1475   for (BasicBlock::iterator it = BB.begin(), e = BB.end(); it != e; ++it) {
1476     Instruction *I = it;
1477
1478     if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I)) {
1479       // This should not happen because the loop should be normalized.
1480       if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
1481         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
1482         return false;
1483       }
1484
1485       // This is the value coming from the preheader.
1486       Value *StartValue = Phi->getIncomingValueForBlock(PreHeader);
1487
1488       // We only look at integer and pointer phi nodes.
1489       if (Phi->getType()->isPointerTy() && isInductionVariable(Phi)) {
1490         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a pointer induction variable.\n");
1491         Inductions[Phi] = StartValue;
1492         continue;
1493       } else if (!Phi->getType()->isIntegerTy()) {
1494         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int non-pointer PHI.\n");
1495         return false;
1496       }
1497
1498       // Handle integer PHIs:
1499       if (isInductionVariable(Phi)) {
1500         if (Induction) {
1501           DEBUG(dbgs() << "LV: Found too many inductions."<< *Phi <<"\n");
1502           return false;
1503         }
1504         DEBUG(dbgs() << "LV: Found the induction PHI."<< *Phi <<"\n");
1505         Induction = Phi;
1506         Inductions[Phi] = StartValue;
1507         continue;
1508       }
1509       if (AddReductionVar(Phi, IntegerAdd)) {
1510         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
1511         continue;
1512       }
1513       if (AddReductionVar(Phi, IntegerMult)) {
1514         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MUL reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
1515         continue;
1516       }
1517       if (AddReductionVar(Phi, IntegerOr)) {
1518         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an OR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
1519         continue;
1520       }
1521       if (AddReductionVar(Phi, IntegerAnd)) {
1522         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an AND reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
1523         continue;
1524       }
1525       if (AddReductionVar(Phi, IntegerXor)) {
1526         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a XOR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
1527         continue;
1528       }
1529
1530       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
1531       return false;
1532     }// end of PHI handling
1533
1534     // We still don't handle functions.
1535     CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I);
1536     if (CI) {
1537       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site.\n");
1538       return false;
1539     }
1540
1541     // We do not re-vectorize vectors.
1542     if (!VectorType::isValidElementType(I->getType()) &&
1543         !I->getType()->isVoidTy()) {
1544       DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type." << "\n");
1545       return false;
1546     }
1547
1548     // Reduction instructions are allowed to have exit users.
1549     // All other instructions must not have external users.
1550     if (!AllowedExit.count(I))
1551       //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
1552       for (Value::use_iterator it = I->use_begin(), e = I->use_end();
1553            it != e; ++it) {
1554         Instruction *U = cast<Instruction>(*it);
1555         // This user may be a reduction exit value.
1556         BasicBlock *Parent = U->getParent();
1557         if (Parent != &BB) {
1558           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : "<< *U << "\n");
1559           return false;
1560         }
1561     }
1562   } // next instr.
1563
1564   if (!Induction) {
1565     DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find one integer induction var.\n");
1566     assert(getInductionVars()->size() && "No induction variables");
1567   }
1568
1569   // Don't vectorize if the memory dependencies do not allow vectorization.
1570   if (!canVectorizeMemory(BB))
1571     return false;
1572
1573   // We now know that the loop is vectorizable!
1574   // Collect variables that will remain uniform after vectorization.
1575   std::vector<Value*> Worklist;
1576
1577   // Start with the conditional branch and walk up the block.
1578   Worklist.push_back(BB.getTerminator()->getOperand(0));
1579
1580   while (Worklist.size()) {
1581     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.back());
1582     Worklist.pop_back();
1583
1584     // Look at instructions inside this block. Stop when reaching PHI nodes.
1585     if (!I || I->getParent() != &BB || isa<PHINode>(I))
1586       continue;
1587
1588     // This is a known uniform.
1589     Uniforms.insert(I);
1590
1591     // Insert all operands.
1592     for (int i = 0, Op = I->getNumOperands(); i < Op; ++i) {
1593       Worklist.push_back(I->getOperand(i));
1594     }
1595   }
1596
1597   return true;
1598 }
1599
1600 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory(BasicBlock &BB) {
1601   typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
1602   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
1603   // Holds the Load and Store *instructions*.
1604   ValueVector Loads;
1605   ValueVector Stores;
1606   PtrRtCheck.Pointers.clear();
1607   PtrRtCheck.Need = false;
1608
1609   // Scan the BB and collect legal loads and stores.
1610   for (BasicBlock::iterator it = BB.begin(), e = BB.end(); it != e; ++it) {
1611     Instruction *I = it;
1612
1613     // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
1614     // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
1615     // calls that read or write.
1616     if (I->mayReadFromMemory()) {
1617       LoadInst *Ld = dyn_cast<LoadInst>(I);
1618       if (!Ld) return false;
1619       if (!Ld->isSimple()) {
1620         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple load.\n");
1621         return false;
1622       }
1623       Loads.push_back(Ld);
1624       continue;
1625     }
1626
1627     // Save store instructions. Abort if other instructions write to memory.
1628     if (I->mayWriteToMemory()) {
1629       StoreInst *St = dyn_cast<StoreInst>(I);
1630       if (!St) return false;
1631       if (!St->isSimple()) {
1632         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple store.\n");
1633         return false;
1634       }
1635       Stores.push_back(St);
1636     }
1637   } // next instr.
1638
1639   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
1640   // Next, we find the pointers that they use.
1641
1642   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
1643   // care if the pointers are *restrict*.
1644   if (!Stores.size()) {
1645         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a read-only loop!\n");
1646         return true;
1647   }
1648
1649   // Holds the read and read-write *pointers* that we find.
1650   ValueVector Reads;
1651   ValueVector ReadWrites;
1652
1653   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
1654   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
1655   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
1656   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
1657   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
1658   ValueSet Seen;
1659
1660   ValueVector::iterator I, IE;
1661   for (I = Stores.begin(), IE = Stores.end(); I != IE; ++I) {
1662     StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(*I);
1663     assert(ST && "Bad StoreInst");
1664     Value* Ptr = ST->getPointerOperand();
1665
1666     if (isUniform(Ptr)) {
1667       DEBUG(dbgs() << "LV: We don't allow storing to uniform addresses\n");
1668       return false;
1669     }
1670
1671     // If we did *not* see this pointer before, insert it to
1672     // the read-write list. At this phase it is only a 'write' list.
1673     if (Seen.insert(Ptr))
1674       ReadWrites.push_back(Ptr);
1675   }
1676
1677   for (I = Loads.begin(), IE = Loads.end(); I != IE; ++I) {
1678     LoadInst *LD = dyn_cast<LoadInst>(*I);
1679     assert(LD && "Bad LoadInst");
1680     Value* Ptr = LD->getPointerOperand();
1681     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
1682     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
1683     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
1684     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
1685     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
1686     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
1687     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
1688     // words may be written to the same address.
1689     if (Seen.insert(Ptr) || !isConsecutivePtr(Ptr))
1690       Reads.push_back(Ptr);
1691   }
1692
1693   // If we write (or read-write) to a single destination and there are no
1694   // other reads in this loop then is it safe to vectorize.
1695   if (ReadWrites.size() == 1 && Reads.size() == 0) {
1696     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a write-only loop!\n");
1697     return true;
1698   }
1699
1700   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
1701   // to place a runtime bound check.
1702   bool RT = true;
1703   for (I = ReadWrites.begin(), IE = ReadWrites.end(); I != IE; ++I)
1704     if (hasComputableBounds(*I)) {
1705       PtrRtCheck.insert(SE, TheLoop, *I);
1706       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << **I <<"\n");
1707     } else {
1708       RT = false;
1709       break;
1710     }
1711   for (I = Reads.begin(), IE = Reads.end(); I != IE; ++I)
1712     if (hasComputableBounds(*I)) {
1713       PtrRtCheck.insert(SE, TheLoop, *I);
1714       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << **I <<"\n");
1715     } else {
1716       RT = false;
1717       break;
1718     }
1719
1720   // Check that we did not collect too many pointers or found a
1721   // unsizeable pointer.
1722   if (!RT || PtrRtCheck.Pointers.size() > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
1723     PtrRtCheck.reset();
1724     RT = false;
1725   }
1726
1727   PtrRtCheck.Need = RT;
1728
1729   if (RT) {
1730     DEBUG(dbgs() << "LV: We can perform a memory runtime check if needed.\n");
1731   }
1732
1733   // Now that the pointers are in two lists (Reads and ReadWrites), we
1734   // can check that there are no conflicts between each of the writes and
1735   // between the writes to the reads.
1736   ValueSet WriteObjects;
1737   ValueVector TempObjects;
1738
1739   // Check that the read-writes do not conflict with other read-write
1740   // pointers.
1741   for (I = ReadWrites.begin(), IE = ReadWrites.end(); I != IE; ++I) {
1742     GetUnderlyingObjects(*I, TempObjects, DL);
1743     for (ValueVector::iterator it=TempObjects.begin(), e=TempObjects.end();
1744          it != e; ++it) {
1745       if (!isIdentifiedObject(*it)) {
1746         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified write ptr:"<< **it <<"\n");
1747         return RT;
1748       }
1749       if (!WriteObjects.insert(*it)) {
1750         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible write-write reorder:"
1751               << **it <<"\n");
1752         return RT;
1753       }
1754     }
1755     TempObjects.clear();
1756   }
1757
1758   /// Check that the reads don't conflict with the read-writes.
1759   for (I = Reads.begin(), IE = Reads.end(); I != IE; ++I) {
1760     GetUnderlyingObjects(*I, TempObjects, DL);
1761     for (ValueVector::iterator it=TempObjects.begin(), e=TempObjects.end();
1762          it != e; ++it) {
1763       if (!isIdentifiedObject(*it)) {
1764         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified read ptr:"<< **it <<"\n");
1765         return RT;
1766       }
1767       if (WriteObjects.count(*it)) {
1768         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible read/write reorder:"
1769               << **it <<"\n");
1770         return RT;
1771       }
1772     }
1773     TempObjects.clear();
1774   }
1775
1776   // It is safe to vectorize and we don't need any runtime checks.
1777   DEBUG(dbgs() << "LV: We don't need a runtime memory check.\n");
1778   PtrRtCheck.reset();
1779   return true;
1780 }
1781
1782 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
1783                                                 ReductionKind Kind) {
1784   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
1785     return false;
1786
1787   // Find the possible incoming reduction variable.
1788   BasicBlock *BB = Phi->getParent();
1789   int SelfEdgeIdx = Phi->getBasicBlockIndex(BB);
1790   int InEdgeBlockIdx = (SelfEdgeIdx ? 0 : 1); // The other entry.
1791   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValue(InEdgeBlockIdx);
1792
1793   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
1794   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
1795   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
1796   // which ends in the phi node).
1797   Instruction *ExitInstruction = 0;
1798
1799   // Iter is our iterator. We start with the PHI node and scan for all of the
1800   // users of this instruction. All users must be instructions which can be
1801   // used as reduction variables (such as ADD). We may have a single
1802   // out-of-block user. They cycle must end with the original PHI.
1803   // Also, we can't have multiple block-local users.
1804   Instruction *Iter = Phi;
1805   while (true) {
1806     // Any reduction instr must be of one of the allowed kinds.
1807     if (!isReductionInstr(Iter, Kind))
1808       return false;
1809
1810     // Did we found a user inside this block ?
1811     bool FoundInBlockUser = false;
1812     // Did we reach the initial PHI node ?
1813     bool FoundStartPHI = false;
1814
1815     // If the instruction has no users then this is a broken
1816     // chain and can't be a reduction variable.
1817     if (Iter->use_empty())
1818       return false;
1819
1820     // For each of the *users* of iter.
1821     for (Value::use_iterator it = Iter->use_begin(), e = Iter->use_end();
1822          it != e; ++it) {
1823       Instruction *U = cast<Instruction>(*it);
1824       // We already know that the PHI is a user.
1825       if (U == Phi) {
1826         FoundStartPHI = true;
1827         continue;
1828       }
1829       // Check if we found the exit user.
1830       BasicBlock *Parent = U->getParent();
1831       if (Parent != BB) {
1832         // We must have a single exit instruction.
1833         if (ExitInstruction != 0)
1834           return false;
1835         ExitInstruction = Iter;
1836       }
1837       // We can't have multiple inside users.
1838       if (FoundInBlockUser)
1839         return false;
1840       FoundInBlockUser = true;
1841       Iter = U;
1842     }
1843
1844     // We found a reduction var if we have reached the original
1845     // phi node and we only have a single instruction with out-of-loop
1846     // users.
1847    if (FoundStartPHI && ExitInstruction) {
1848      // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
1849      AllowedExit.insert(ExitInstruction);
1850
1851      // Save the description of this reduction variable.
1852      ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind);
1853      Reductions[Phi] = RD;
1854      return true;
1855    }
1856   }
1857 }
1858
1859 bool
1860 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
1861                                             ReductionKind Kind) {
1862     switch (I->getOpcode()) {
1863     default:
1864       return false;
1865     case Instruction::PHI:
1866       // possibly.
1867       return true;
1868     case Instruction::Add:
1869     case Instruction::Sub:
1870       return Kind == IntegerAdd;
1871     case Instruction::Mul:
1872       return Kind == IntegerMult;
1873     case Instruction::And:
1874       return Kind == IntegerAnd;
1875     case Instruction::Or:
1876       return Kind == IntegerOr;
1877     case Instruction::Xor:
1878       return Kind == IntegerXor;
1879     }
1880 }
1881
1882 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi) {
1883   Type *PhiTy = Phi->getType();
1884   // We only handle integer and pointer inductions variables.
1885   if (!PhiTy->isIntegerTy() && !PhiTy->isPointerTy())
1886     return false;
1887
1888   // Check that the PHI is consecutive and starts at zero.
1889   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
1890   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
1891   if (!AR) {
1892     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
1893     return false;
1894   }
1895   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
1896
1897   // Integer inductions need to have a stride of one.
1898   if (PhiTy->isIntegerTy())
1899     return Step->isOne();
1900
1901   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
1902   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
1903   if (!C) return false;
1904
1905   assert(PhiTy->isPointerTy() && "The PHI must be a pointer");
1906   uint64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PhiTy->getPointerElementType());
1907   return (C->getValue()->equalsInt(Size));
1908 }
1909
1910 bool LoopVectorizationLegality::hasComputableBounds(Value *Ptr) {
1911   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Ptr);
1912   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
1913   if (!AR)
1914     return false;
1915
1916   return AR->isAffine();
1917 }
1918
1919 unsigned
1920 LoopVectorizationCostModel::findBestVectorizationFactor(unsigned VF) {
1921   if (!VTTI) {
1922     DEBUG(dbgs() << "LV: No vector target information. Not vectorizing. \n");
1923     return 1;
1924   }
1925
1926   float Cost = expectedCost(1);
1927   unsigned Width = 1;
1928   DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: "<< (int)Cost << ".\n");
1929   for (unsigned i=2; i <= VF; i*=2) {
1930     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
1931     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
1932     // the vector elements.
1933     float VectorCost = expectedCost(i) / (float)i;
1934     DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width "<< i << " costs: " <<
1935           (int)VectorCost << ".\n");
1936     if (VectorCost < Cost) {
1937       Cost = VectorCost;
1938       Width = i;
1939     }
1940   }
1941
1942   DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF = : "<< Width << ".\n");
1943   return Width;
1944 }
1945
1946 unsigned LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
1947   // We can only estimate the cost of single basic block loops.
1948   assert(1 == TheLoop->getNumBlocks() && "Too many blocks in loop");
1949
1950   BasicBlock *BB = TheLoop->getHeader();
1951   unsigned Cost = 0;
1952
1953   // For each instruction in the old loop.
1954   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
1955     Instruction *Inst = it;
1956     unsigned C = getInstructionCost(Inst, VF);
1957     Cost += C;
1958     DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of "<< C <<" for VF "<< VF <<
1959           " For instruction: "<< *Inst << "\n");
1960   }
1961
1962   return Cost;
1963 }
1964
1965 unsigned
1966 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
1967   assert(VTTI && "Invalid vector target transformation info");
1968
1969   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
1970   // the scalar version.
1971   if (Legal->isUniformAfterVectorization(I))
1972     VF = 1;
1973
1974   Type *RetTy = I->getType();
1975   Type *VectorTy = ToVectorTy(RetTy, VF);
1976
1977
1978   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
1979   switch (I->getOpcode()) {
1980     case Instruction::GetElementPtr:
1981       // We mark this instruction as zero-cost because scalar GEPs are usually
1982       // lowered to the intruction addressing mode. At the moment we don't
1983       // generate vector geps.
1984       return 0;
1985     case Instruction::Br: {
1986       return VTTI->getCFInstrCost(I->getOpcode());
1987     }
1988     case Instruction::PHI:
1989       return 0;
1990     case Instruction::Add:
1991     case Instruction::FAdd:
1992     case Instruction::Sub:
1993     case Instruction::FSub:
1994     case Instruction::Mul:
1995     case Instruction::FMul:
1996     case Instruction::UDiv:
1997     case Instruction::SDiv:
1998     case Instruction::FDiv:
1999     case Instruction::URem:
2000     case Instruction::SRem:
2001     case Instruction::FRem:
2002     case Instruction::Shl:
2003     case Instruction::LShr:
2004     case Instruction::AShr:
2005     case Instruction::And:
2006     case Instruction::Or:
2007     case Instruction::Xor:
2008       return VTTI->getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
2009     case Instruction::Select: {
2010       SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
2011       const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
2012       bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
2013       Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
2014       if (ScalarCond)
2015         CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
2016
2017       return VTTI->getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy);
2018     }
2019     case Instruction::ICmp:
2020     case Instruction::FCmp: {
2021       Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
2022       VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
2023       return VTTI->getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
2024     }
2025     case Instruction::Store: {
2026       StoreInst *SI = cast<StoreInst>(I);
2027       Type *ValTy = SI->getValueOperand()->getType();
2028       VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
2029
2030       if (VF == 1)
2031         return VTTI->getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy,
2032                               SI->getAlignment(), SI->getPointerAddressSpace());
2033
2034       // Scalarized stores.
2035       if (!Legal->isConsecutivePtr(SI->getPointerOperand())) {
2036         unsigned Cost = 0;
2037         unsigned ExtCost = VTTI->getInstrCost(Instruction::ExtractElement,
2038                                               ValTy);
2039         // The cost of extracting from the value vector.
2040         Cost += VF * (ExtCost);
2041         // The cost of the scalar stores.
2042         Cost += VF * VTTI->getMemoryOpCost(I->getOpcode(),
2043                                            ValTy->getScalarType(),
2044                                            SI->getAlignment(),
2045                                            SI->getPointerAddressSpace());
2046         return Cost;
2047       }
2048
2049       // Wide stores.
2050       return VTTI->getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, SI->getAlignment(),
2051                                    SI->getPointerAddressSpace());
2052     }
2053     case Instruction::Load: {
2054       LoadInst *LI = cast<LoadInst>(I);
2055
2056       if (VF == 1)
2057         return VTTI->getMemoryOpCost(I->getOpcode(), RetTy,
2058                                      LI->getAlignment(),
2059                                      LI->getPointerAddressSpace());
2060
2061       // Scalarized loads.
2062       if (!Legal->isConsecutivePtr(LI->getPointerOperand())) {
2063         unsigned Cost = 0;
2064         unsigned InCost = VTTI->getInstrCost(Instruction::InsertElement, RetTy);
2065         // The cost of inserting the loaded value into the result vector.
2066         Cost += VF * (InCost);
2067         // The cost of the scalar stores.
2068         Cost += VF * VTTI->getMemoryOpCost(I->getOpcode(),
2069                                            RetTy->getScalarType(),
2070                                            LI->getAlignment(),
2071                                            LI->getPointerAddressSpace());
2072         return Cost;
2073       }
2074
2075       // Wide loads.
2076       return VTTI->getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, LI->getAlignment(),
2077                                    LI->getPointerAddressSpace());
2078     }
2079     case Instruction::ZExt:
2080     case Instruction::SExt:
2081     case Instruction::FPToUI:
2082     case Instruction::FPToSI:
2083     case Instruction::FPExt:
2084     case Instruction::PtrToInt:
2085     case Instruction::IntToPtr:
2086     case Instruction::SIToFP:
2087     case Instruction::UIToFP:
2088     case Instruction::Trunc:
2089     case Instruction::FPTrunc:
2090     case Instruction::BitCast: {
2091       Type *SrcVecTy = ToVectorTy(I->getOperand(0)->getType(), VF);
2092       return VTTI->getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy);
2093     }
2094     default: {
2095       // We are scalarizing the instruction. Return the cost of the scalar
2096       // instruction, plus the cost of insert and extract into vector
2097       // elements, times the vector width.
2098       unsigned Cost = 0;
2099
2100       bool IsVoid = RetTy->isVoidTy();
2101
2102       unsigned InsCost = (IsVoid ? 0 :
2103                           VTTI->getInstrCost(Instruction::InsertElement,
2104                                              VectorTy));
2105
2106       unsigned ExtCost = VTTI->getInstrCost(Instruction::ExtractElement,
2107                                             VectorTy);
2108
2109       // The cost of inserting the results plus extracting each one of the
2110       // operands.
2111       Cost += VF * (InsCost + ExtCost * I->getNumOperands());
2112
2113       // The cost of executing VF copies of the scalar instruction.
2114       Cost += VF * VTTI->getInstrCost(I->getOpcode(), RetTy);
2115       return Cost;
2116     }
2117   }// end of switch.
2118 }
2119
2120 Type* LoopVectorizationCostModel::ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
2121   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
2122     return Scalar;
2123   return VectorType::get(Scalar, VF);
2124 }
2125
2126 } // namespace
2127
2128 char LoopVectorize::ID = 0;
2129 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
2130 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
2131 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
2132 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
2133 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
2134 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
2135
2136 namespace llvm {
2137   Pass *createLoopVectorizePass() {
2138     return new LoopVectorize();
2139   }
2140 }
2141