dca6a0c4bcd9104f5ee9e505c3e0cc5486bf5aad
[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.
12 // The vectorizer uses the TargetTransformInfo analysis to estimate the costs
13 // of instructions in order to estimate the profitability of vectorization.
14 //
15 // The loop vectorizer combines consecutive loop iterations 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. InnerLoopVectorizer - 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
45 #include "llvm/Transforms/Vectorize.h"
46 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
47 #include "llvm/ADT/EquivalenceClasses.h"
48 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
49 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
50 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
51 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
52 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
53 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
54 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
55 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
56 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
57 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
58 #include "llvm/Analysis/AssumptionTracker.h"
59 #include "llvm/Analysis/BlockFrequencyInfo.h"
60 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
61 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
62 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
63 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
64 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
65 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
66 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
67 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
68 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
69 #include "llvm/IR/Constants.h"
70 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
71 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
72 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
73 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
74 #include "llvm/IR/Dominators.h"
75 #include "llvm/IR/Function.h"
76 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
77 #include "llvm/IR/Instructions.h"
78 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
79 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
80 #include "llvm/IR/Module.h"
81 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
82 #include "llvm/IR/Type.h"
83 #include "llvm/IR/Value.h"
84 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
85 #include "llvm/IR/Verifier.h"
86 #include "llvm/Pass.h"
87 #include "llvm/Support/BranchProbability.h"
88 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
89 #include "llvm/Support/Debug.h"
90 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
91 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
92 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
93 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
94 #include "llvm/Transforms/Utils/VectorUtils.h"
95 #include <algorithm>
96 #include <map>
97 #include <tuple>
98
99 using namespace llvm;
100 using namespace llvm::PatternMatch;
101
102 #define LV_NAME "loop-vectorize"
103 #define DEBUG_TYPE LV_NAME
104
105 STATISTIC(LoopsVectorized, "Number of loops vectorized");
106 STATISTIC(LoopsAnalyzed, "Number of loops analyzed for vectorization");
107
108 static cl::opt<unsigned>
109 VectorizationFactor("force-vector-width", cl::init(0), cl::Hidden,
110                     cl::desc("Sets the SIMD width. Zero is autoselect."));
111
112 static cl::opt<unsigned>
113 VectorizationInterleave("force-vector-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
114                     cl::desc("Sets the vectorization interleave count. "
115                              "Zero is autoselect."));
116
117 static cl::opt<bool>
118 EnableIfConversion("enable-if-conversion", cl::init(true), cl::Hidden,
119                    cl::desc("Enable if-conversion during vectorization."));
120
121 /// We don't vectorize loops with a known constant trip count below this number.
122 static cl::opt<unsigned>
123 TinyTripCountVectorThreshold("vectorizer-min-trip-count", cl::init(16),
124                              cl::Hidden,
125                              cl::desc("Don't vectorize loops with a constant "
126                                       "trip count that is smaller than this "
127                                       "value."));
128
129 /// This enables versioning on the strides of symbolically striding memory
130 /// accesses in code like the following.
131 ///   for (i = 0; i < N; ++i)
132 ///     A[i * Stride1] += B[i * Stride2] ...
133 ///
134 /// Will be roughly translated to
135 ///    if (Stride1 == 1 && Stride2 == 1) {
136 ///      for (i = 0; i < N; i+=4)
137 ///       A[i:i+3] += ...
138 ///    } else
139 ///      ...
140 static cl::opt<bool> EnableMemAccessVersioning(
141     "enable-mem-access-versioning", cl::init(true), cl::Hidden,
142     cl::desc("Enable symblic stride memory access versioning"));
143
144 /// We don't unroll loops with a known constant trip count below this number.
145 static const unsigned TinyTripCountUnrollThreshold = 128;
146
147 /// When performing memory disambiguation checks at runtime do not make more
148 /// than this number of comparisons.
149 static const unsigned RuntimeMemoryCheckThreshold = 8;
150
151 /// Maximum simd width.
152 static const unsigned MaxVectorWidth = 64;
153
154 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumScalarRegs(
155     "force-target-num-scalar-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
156     cl::desc("A flag that overrides the target's number of scalar registers."));
157
158 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumVectorRegs(
159     "force-target-num-vector-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
160     cl::desc("A flag that overrides the target's number of vector registers."));
161
162 /// Maximum vectorization interleave count.
163 static const unsigned MaxInterleaveFactor = 16;
164
165 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor(
166     "force-target-max-scalar-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
167     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
168              "scalar loops."));
169
170 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor(
171     "force-target-max-vector-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
172     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
173              "vectorized loops."));
174
175 static cl::opt<unsigned> ForceTargetInstructionCost(
176     "force-target-instruction-cost", cl::init(0), cl::Hidden,
177     cl::desc("A flag that overrides the target's expected cost for "
178              "an instruction to a single constant value. Mostly "
179              "useful for getting consistent testing."));
180
181 static cl::opt<unsigned> SmallLoopCost(
182     "small-loop-cost", cl::init(20), cl::Hidden,
183     cl::desc("The cost of a loop that is considered 'small' by the unroller."));
184
185 static cl::opt<bool> LoopVectorizeWithBlockFrequency(
186     "loop-vectorize-with-block-frequency", cl::init(false), cl::Hidden,
187     cl::desc("Enable the use of the block frequency analysis to access PGO "
188              "heuristics minimizing code growth in cold regions and being more "
189              "aggressive in hot regions."));
190
191 // Runtime unroll loops for load/store throughput.
192 static cl::opt<bool> EnableLoadStoreRuntimeUnroll(
193     "enable-loadstore-runtime-unroll", cl::init(true), cl::Hidden,
194     cl::desc("Enable runtime unrolling until load/store ports are saturated"));
195
196 /// The number of stores in a loop that are allowed to need predication.
197 static cl::opt<unsigned> NumberOfStoresToPredicate(
198     "vectorize-num-stores-pred", cl::init(1), cl::Hidden,
199     cl::desc("Max number of stores to be predicated behind an if."));
200
201 static cl::opt<bool> EnableIndVarRegisterHeur(
202     "enable-ind-var-reg-heur", cl::init(true), cl::Hidden,
203     cl::desc("Count the induction variable only once when unrolling"));
204
205 static cl::opt<bool> EnableCondStoresVectorization(
206     "enable-cond-stores-vec", cl::init(false), cl::Hidden,
207     cl::desc("Enable if predication of stores during vectorization."));
208
209 static cl::opt<unsigned> MaxNestedScalarReductionUF(
210     "max-nested-scalar-reduction-unroll", cl::init(2), cl::Hidden,
211     cl::desc("The maximum unroll factor to use when unrolling a scalar "
212              "reduction in a nested loop."));
213
214 namespace {
215
216 // Forward declarations.
217 class LoopVectorizationLegality;
218 class LoopVectorizationCostModel;
219 class LoopVectorizeHints;
220
221 /// Optimization analysis message produced during vectorization. Messages inform
222 /// the user why vectorization did not occur.
223 class Report {
224   std::string Message;
225   raw_string_ostream Out;
226   Instruction *Instr;
227
228 public:
229   Report(Instruction *I = nullptr) : Out(Message), Instr(I) {
230     Out << "loop not vectorized: ";
231   }
232
233   template <typename A> Report &operator<<(const A &Value) {
234     Out << Value;
235     return *this;
236   }
237
238   Instruction *getInstr() { return Instr; }
239
240   std::string &str() { return Out.str(); }
241   operator Twine() { return Out.str(); }
242 };
243
244 /// InnerLoopVectorizer vectorizes loops which contain only one basic
245 /// block to a specified vectorization factor (VF).
246 /// This class performs the widening of scalars into vectors, or multiple
247 /// scalars. This class also implements the following features:
248 /// * It inserts an epilogue loop for handling loops that don't have iteration
249 ///   counts that are known to be a multiple of the vectorization factor.
250 /// * It handles the code generation for reduction variables.
251 /// * Scalarization (implementation using scalars) of un-vectorizable
252 ///   instructions.
253 /// InnerLoopVectorizer does not perform any vectorization-legality
254 /// checks, and relies on the caller to check for the different legality
255 /// aspects. The InnerLoopVectorizer relies on the
256 /// LoopVectorizationLegality class to provide information about the induction
257 /// and reduction variables that were found to a given vectorization factor.
258 class InnerLoopVectorizer {
259 public:
260   InnerLoopVectorizer(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
261                       DominatorTree *DT, const DataLayout *DL,
262                       const TargetLibraryInfo *TLI, unsigned VecWidth,
263                       unsigned UnrollFactor)
264       : OrigLoop(OrigLoop), SE(SE), LI(LI), DT(DT), DL(DL), TLI(TLI),
265         VF(VecWidth), UF(UnrollFactor), Builder(SE->getContext()),
266         Induction(nullptr), OldInduction(nullptr), WidenMap(UnrollFactor),
267         Legal(nullptr) {}
268
269   // Perform the actual loop widening (vectorization).
270   void vectorize(LoopVectorizationLegality *L) {
271     Legal = L;
272     // Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
273     createEmptyLoop();
274     // Widen each instruction in the old loop to a new one in the new loop.
275     // Use the Legality module to find the induction and reduction variables.
276     vectorizeLoop();
277     // Register the new loop and update the analysis passes.
278     updateAnalysis();
279   }
280
281   virtual ~InnerLoopVectorizer() {}
282
283 protected:
284   /// A small list of PHINodes.
285   typedef SmallVector<PHINode*, 4> PhiVector;
286   /// When we unroll loops we have multiple vector values for each scalar.
287   /// This data structure holds the unrolled and vectorized values that
288   /// originated from one scalar instruction.
289   typedef SmallVector<Value*, 2> VectorParts;
290
291   // When we if-convert we need create edge masks. We have to cache values so
292   // that we don't end up with exponential recursion/IR.
293   typedef DenseMap<std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*>,
294                    VectorParts> EdgeMaskCache;
295
296   /// \brief Add code that checks at runtime if the accessed arrays overlap.
297   ///
298   /// Returns a pair of instructions where the first element is the first
299   /// instruction generated in possibly a sequence of instructions and the
300   /// second value is the final comparator value or NULL if no check is needed.
301   std::pair<Instruction *, Instruction *> addRuntimeCheck(Instruction *Loc);
302
303   /// \brief Add checks for strides that where assumed to be 1.
304   ///
305   /// Returns the last check instruction and the first check instruction in the
306   /// pair as (first, last).
307   std::pair<Instruction *, Instruction *> addStrideCheck(Instruction *Loc);
308
309   /// Create an empty loop, based on the loop ranges of the old loop.
310   void createEmptyLoop();
311   /// Copy and widen the instructions from the old loop.
312   virtual void vectorizeLoop();
313
314   /// \brief The Loop exit block may have single value PHI nodes where the
315   /// incoming value is 'Undef'. While vectorizing we only handled real values
316   /// that were defined inside the loop. Here we fix the 'undef case'.
317   /// See PR14725.
318   void fixLCSSAPHIs();
319
320   /// A helper function that computes the predicate of the block BB, assuming
321   /// that the header block of the loop is set to True. It returns the *entry*
322   /// mask for the block BB.
323   VectorParts createBlockInMask(BasicBlock *BB);
324   /// A helper function that computes the predicate of the edge between SRC
325   /// and DST.
326   VectorParts createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst);
327
328   /// A helper function to vectorize a single BB within the innermost loop.
329   void vectorizeBlockInLoop(BasicBlock *BB, PhiVector *PV);
330
331   /// Vectorize a single PHINode in a block. This method handles the induction
332   /// variable canonicalization. It supports both VF = 1 for unrolled loops and
333   /// arbitrary length vectors.
334   void widenPHIInstruction(Instruction *PN, VectorParts &Entry,
335                            unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV);
336
337   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager
338   /// and update the analysis passes.
339   void updateAnalysis();
340
341   /// This instruction is un-vectorizable. Implement it as a sequence
342   /// of scalars. If \p IfPredicateStore is true we need to 'hide' each
343   /// scalarized instruction behind an if block predicated on the control
344   /// dependence of the instruction.
345   virtual void scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
346                                     bool IfPredicateStore=false);
347
348   /// Vectorize Load and Store instructions,
349   virtual void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr);
350
351   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
352   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
353   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
354   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
355   /// element.
356   virtual Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
357
358   /// This function adds 0, 1, 2 ... to each vector element, starting at zero.
359   /// If Negate is set then negative numbers are added e.g. (0, -1, -2, ...).
360   /// The sequence starts at StartIndex.
361   virtual Value *getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx, bool Negate);
362
363   /// When we go over instructions in the basic block we rely on previous
364   /// values within the current basic block or on loop invariant values.
365   /// When we widen (vectorize) values we place them in the map. If the values
366   /// are not within the map, they have to be loop invariant, so we simply
367   /// broadcast them into a vector.
368   VectorParts &getVectorValue(Value *V);
369
370   /// Generate a shuffle sequence that will reverse the vector Vec.
371   virtual Value *reverseVector(Value *Vec);
372
373   /// This is a helper class that holds the vectorizer state. It maps scalar
374   /// instructions to vector instructions. When the code is 'unrolled' then
375   /// then a single scalar value is mapped to multiple vector parts. The parts
376   /// are stored in the VectorPart type.
377   struct ValueMap {
378     /// C'tor.  UnrollFactor controls the number of vectors ('parts') that
379     /// are mapped.
380     ValueMap(unsigned UnrollFactor) : UF(UnrollFactor) {}
381
382     /// \return True if 'Key' is saved in the Value Map.
383     bool has(Value *Key) const { return MapStorage.count(Key); }
384
385     /// Initializes a new entry in the map. Sets all of the vector parts to the
386     /// save value in 'Val'.
387     /// \return A reference to a vector with splat values.
388     VectorParts &splat(Value *Key, Value *Val) {
389       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
390       Entry.assign(UF, Val);
391       return Entry;
392     }
393
394     ///\return A reference to the value that is stored at 'Key'.
395     VectorParts &get(Value *Key) {
396       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
397       if (Entry.empty())
398         Entry.resize(UF);
399       assert(Entry.size() == UF);
400       return Entry;
401     }
402
403   private:
404     /// The unroll factor. Each entry in the map stores this number of vector
405     /// elements.
406     unsigned UF;
407
408     /// Map storage. We use std::map and not DenseMap because insertions to a
409     /// dense map invalidates its iterators.
410     std::map<Value *, VectorParts> MapStorage;
411   };
412
413   /// The original loop.
414   Loop *OrigLoop;
415   /// Scev analysis to use.
416   ScalarEvolution *SE;
417   /// Loop Info.
418   LoopInfo *LI;
419   /// Dominator Tree.
420   DominatorTree *DT;
421   /// Alias Analysis.
422   AliasAnalysis *AA;
423   /// Data Layout.
424   const DataLayout *DL;
425   /// Target Library Info.
426   const TargetLibraryInfo *TLI;
427
428   /// The vectorization SIMD factor to use. Each vector will have this many
429   /// vector elements.
430   unsigned VF;
431
432 protected:
433   /// The vectorization unroll factor to use. Each scalar is vectorized to this
434   /// many different vector instructions.
435   unsigned UF;
436
437   /// The builder that we use
438   IRBuilder<> Builder;
439
440   // --- Vectorization state ---
441
442   /// The vector-loop preheader.
443   BasicBlock *LoopVectorPreHeader;
444   /// The scalar-loop preheader.
445   BasicBlock *LoopScalarPreHeader;
446   /// Middle Block between the vector and the scalar.
447   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
448   ///The ExitBlock of the scalar loop.
449   BasicBlock *LoopExitBlock;
450   ///The vector loop body.
451   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopVectorBody;
452   ///The scalar loop body.
453   BasicBlock *LoopScalarBody;
454   /// A list of all bypass blocks. The first block is the entry of the loop.
455   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopBypassBlocks;
456
457   /// The new Induction variable which was added to the new block.
458   PHINode *Induction;
459   /// The induction variable of the old basic block.
460   PHINode *OldInduction;
461   /// Holds the extended (to the widest induction type) start index.
462   Value *ExtendedIdx;
463   /// Maps scalars to widened vectors.
464   ValueMap WidenMap;
465   EdgeMaskCache MaskCache;
466
467   LoopVectorizationLegality *Legal;
468 };
469
470 class InnerLoopUnroller : public InnerLoopVectorizer {
471 public:
472   InnerLoopUnroller(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
473                     DominatorTree *DT, const DataLayout *DL,
474                     const TargetLibraryInfo *TLI, unsigned UnrollFactor) :
475     InnerLoopVectorizer(OrigLoop, SE, LI, DT, DL, TLI, 1, UnrollFactor) { }
476
477 private:
478   void scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
479                             bool IfPredicateStore = false) override;
480   void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) override;
481   Value *getBroadcastInstrs(Value *V) override;
482   Value *getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx, bool Negate) override;
483   Value *reverseVector(Value *Vec) override;
484 };
485
486 /// \brief Look for a meaningful debug location on the instruction or it's
487 /// operands.
488 static Instruction *getDebugLocFromInstOrOperands(Instruction *I) {
489   if (!I)
490     return I;
491
492   DebugLoc Empty;
493   if (I->getDebugLoc() != Empty)
494     return I;
495
496   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), OE = I->op_end(); OI != OE; ++OI) {
497     if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
498       if (OpInst->getDebugLoc() != Empty)
499         return OpInst;
500   }
501
502   return I;
503 }
504
505 /// \brief Set the debug location in the builder using the debug location in the
506 /// instruction.
507 static void setDebugLocFromInst(IRBuilder<> &B, const Value *Ptr) {
508   if (const Instruction *Inst = dyn_cast_or_null<Instruction>(Ptr))
509     B.SetCurrentDebugLocation(Inst->getDebugLoc());
510   else
511     B.SetCurrentDebugLocation(DebugLoc());
512 }
513
514 #ifndef NDEBUG
515 /// \return string containing a file name and a line # for the given loop.
516 static std::string getDebugLocString(const Loop *L) {
517   std::string Result;
518   if (L) {
519     raw_string_ostream OS(Result);
520     const DebugLoc LoopDbgLoc = L->getStartLoc();
521     if (!LoopDbgLoc.isUnknown())
522       LoopDbgLoc.print(L->getHeader()->getContext(), OS);
523     else
524       // Just print the module name.
525       OS << L->getHeader()->getParent()->getParent()->getModuleIdentifier();
526     OS.flush();
527   }
528   return Result;
529 }
530 #endif
531
532 /// \brief Propagate known metadata from one instruction to another.
533 static void propagateMetadata(Instruction *To, const Instruction *From) {
534   SmallVector<std::pair<unsigned, MDNode *>, 4> Metadata;
535   From->getAllMetadataOtherThanDebugLoc(Metadata);
536
537   for (auto M : Metadata) {
538     unsigned Kind = M.first;
539
540     // These are safe to transfer (this is safe for TBAA, even when we
541     // if-convert, because should that metadata have had a control dependency
542     // on the condition, and thus actually aliased with some other
543     // non-speculated memory access when the condition was false, this would be
544     // caught by the runtime overlap checks).
545     if (Kind != LLVMContext::MD_tbaa &&
546         Kind != LLVMContext::MD_alias_scope &&
547         Kind != LLVMContext::MD_noalias &&
548         Kind != LLVMContext::MD_fpmath)
549       continue;
550
551     To->setMetadata(Kind, M.second);
552   }
553 }
554
555 /// \brief Propagate known metadata from one instruction to a vector of others.
556 static void propagateMetadata(SmallVectorImpl<Value *> &To, const Instruction *From) {
557   for (Value *V : To)
558     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
559       propagateMetadata(I, From);
560 }
561
562 /// LoopVectorizationLegality checks if it is legal to vectorize a loop, and
563 /// to what vectorization factor.
564 /// This class does not look at the profitability of vectorization, only the
565 /// legality. This class has two main kinds of checks:
566 /// * Memory checks - The code in canVectorizeMemory checks if vectorization
567 ///   will change the order of memory accesses in a way that will change the
568 ///   correctness of the program.
569 /// * Scalars checks - The code in canVectorizeInstrs and canVectorizeMemory
570 /// checks for a number of different conditions, such as the availability of a
571 /// single induction variable, that all types are supported and vectorize-able,
572 /// etc. This code reflects the capabilities of InnerLoopVectorizer.
573 /// This class is also used by InnerLoopVectorizer for identifying
574 /// induction variable and the different reduction variables.
575 class LoopVectorizationLegality {
576 public:
577   unsigned NumLoads;
578   unsigned NumStores;
579   unsigned NumPredStores;
580
581   LoopVectorizationLegality(Loop *L, ScalarEvolution *SE, const DataLayout *DL,
582                             DominatorTree *DT, TargetLibraryInfo *TLI,
583                             AliasAnalysis *AA, Function *F)
584       : NumLoads(0), NumStores(0), NumPredStores(0), TheLoop(L), SE(SE), DL(DL),
585         DT(DT), TLI(TLI), AA(AA), TheFunction(F), Induction(nullptr),
586         WidestIndTy(nullptr), HasFunNoNaNAttr(false), MaxSafeDepDistBytes(-1U) {
587   }
588
589   /// This enum represents the kinds of reductions that we support.
590   enum ReductionKind {
591     RK_NoReduction, ///< Not a reduction.
592     RK_IntegerAdd,  ///< Sum of integers.
593     RK_IntegerMult, ///< Product of integers.
594     RK_IntegerOr,   ///< Bitwise or logical OR of numbers.
595     RK_IntegerAnd,  ///< Bitwise or logical AND of numbers.
596     RK_IntegerXor,  ///< Bitwise or logical XOR of numbers.
597     RK_IntegerMinMax, ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
598     RK_FloatAdd,    ///< Sum of floats.
599     RK_FloatMult,   ///< Product of floats.
600     RK_FloatMinMax  ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
601   };
602
603   /// This enum represents the kinds of inductions that we support.
604   enum InductionKind {
605     IK_NoInduction,         ///< Not an induction variable.
606     IK_IntInduction,        ///< Integer induction variable. Step = 1.
607     IK_ReverseIntInduction, ///< Reverse int induction variable. Step = -1.
608     IK_PtrInduction,        ///< Pointer induction var. Step = sizeof(elem).
609     IK_ReversePtrInduction  ///< Reverse ptr indvar. Step = - sizeof(elem).
610   };
611
612   // This enum represents the kind of minmax reduction.
613   enum MinMaxReductionKind {
614     MRK_Invalid,
615     MRK_UIntMin,
616     MRK_UIntMax,
617     MRK_SIntMin,
618     MRK_SIntMax,
619     MRK_FloatMin,
620     MRK_FloatMax
621   };
622
623   /// This struct holds information about reduction variables.
624   struct ReductionDescriptor {
625     ReductionDescriptor() : StartValue(nullptr), LoopExitInstr(nullptr),
626       Kind(RK_NoReduction), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
627
628     ReductionDescriptor(Value *Start, Instruction *Exit, ReductionKind K,
629                         MinMaxReductionKind MK)
630         : StartValue(Start), LoopExitInstr(Exit), Kind(K), MinMaxKind(MK) {}
631
632     // The starting value of the reduction.
633     // It does not have to be zero!
634     TrackingVH<Value> StartValue;
635     // The instruction who's value is used outside the loop.
636     Instruction *LoopExitInstr;
637     // The kind of the reduction.
638     ReductionKind Kind;
639     // If this a min/max reduction the kind of reduction.
640     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
641   };
642
643   /// This POD struct holds information about a potential reduction operation.
644   struct ReductionInstDesc {
645     ReductionInstDesc(bool IsRedux, Instruction *I) :
646       IsReduction(IsRedux), PatternLastInst(I), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
647
648     ReductionInstDesc(Instruction *I, MinMaxReductionKind K) :
649       IsReduction(true), PatternLastInst(I), MinMaxKind(K) {}
650
651     // Is this instruction a reduction candidate.
652     bool IsReduction;
653     // The last instruction in a min/max pattern (select of the select(icmp())
654     // pattern), or the current reduction instruction otherwise.
655     Instruction *PatternLastInst;
656     // If this is a min/max pattern the comparison predicate.
657     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
658   };
659
660   /// This struct holds information about the memory runtime legality
661   /// check that a group of pointers do not overlap.
662   struct RuntimePointerCheck {
663     RuntimePointerCheck() : Need(false) {}
664
665     /// Reset the state of the pointer runtime information.
666     void reset() {
667       Need = false;
668       Pointers.clear();
669       Starts.clear();
670       Ends.clear();
671       IsWritePtr.clear();
672       DependencySetId.clear();
673       AliasSetId.clear();
674     }
675
676     /// Insert a pointer and calculate the start and end SCEVs.
677     void insert(ScalarEvolution *SE, Loop *Lp, Value *Ptr, bool WritePtr,
678                 unsigned DepSetId, unsigned ASId, ValueToValueMap &Strides);
679
680     /// This flag indicates if we need to add the runtime check.
681     bool Need;
682     /// Holds the pointers that we need to check.
683     SmallVector<TrackingVH<Value>, 2> Pointers;
684     /// Holds the pointer value at the beginning of the loop.
685     SmallVector<const SCEV*, 2> Starts;
686     /// Holds the pointer value at the end of the loop.
687     SmallVector<const SCEV*, 2> Ends;
688     /// Holds the information if this pointer is used for writing to memory.
689     SmallVector<bool, 2> IsWritePtr;
690     /// Holds the id of the set of pointers that could be dependent because of a
691     /// shared underlying object.
692     SmallVector<unsigned, 2> DependencySetId;
693     /// Holds the id of the disjoint alias set to which this pointer belongs.
694     SmallVector<unsigned, 2> AliasSetId;
695   };
696
697   /// A struct for saving information about induction variables.
698   struct InductionInfo {
699     InductionInfo(Value *Start, InductionKind K) : StartValue(Start), IK(K) {}
700     InductionInfo() : StartValue(nullptr), IK(IK_NoInduction) {}
701     /// Start value.
702     TrackingVH<Value> StartValue;
703     /// Induction kind.
704     InductionKind IK;
705   };
706
707   /// ReductionList contains the reduction descriptors for all
708   /// of the reductions that were found in the loop.
709   typedef DenseMap<PHINode*, ReductionDescriptor> ReductionList;
710
711   /// InductionList saves induction variables and maps them to the
712   /// induction descriptor.
713   typedef MapVector<PHINode*, InductionInfo> InductionList;
714
715   /// Returns true if it is legal to vectorize this loop.
716   /// This does not mean that it is profitable to vectorize this
717   /// loop, only that it is legal to do so.
718   bool canVectorize();
719
720   /// Returns the Induction variable.
721   PHINode *getInduction() { return Induction; }
722
723   /// Returns the reduction variables found in the loop.
724   ReductionList *getReductionVars() { return &Reductions; }
725
726   /// Returns the induction variables found in the loop.
727   InductionList *getInductionVars() { return &Inductions; }
728
729   /// Returns the widest induction type.
730   Type *getWidestInductionType() { return WidestIndTy; }
731
732   /// Returns True if V is an induction variable in this loop.
733   bool isInductionVariable(const Value *V);
734
735   /// Return true if the block BB needs to be predicated in order for the loop
736   /// to be vectorized.
737   bool blockNeedsPredication(BasicBlock *BB);
738
739   /// Check if this  pointer is consecutive when vectorizing. This happens
740   /// when the last index of the GEP is the induction variable, or that the
741   /// pointer itself is an induction variable.
742   /// This check allows us to vectorize A[idx] into a wide load/store.
743   /// Returns:
744   /// 0 - Stride is unknown or non-consecutive.
745   /// 1 - Address is consecutive.
746   /// -1 - Address is consecutive, and decreasing.
747   int isConsecutivePtr(Value *Ptr);
748
749   /// Returns true if the value V is uniform within the loop.
750   bool isUniform(Value *V);
751
752   /// Returns true if this instruction will remain scalar after vectorization.
753   bool isUniformAfterVectorization(Instruction* I) { return Uniforms.count(I); }
754
755   /// Returns the information that we collected about runtime memory check.
756   RuntimePointerCheck *getRuntimePointerCheck() { return &PtrRtCheck; }
757
758   /// This function returns the identity element (or neutral element) for
759   /// the operation K.
760   static Constant *getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp);
761
762   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return MaxSafeDepDistBytes; }
763
764   bool hasStride(Value *V) { return StrideSet.count(V); }
765   bool mustCheckStrides() { return !StrideSet.empty(); }
766   SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator strides_begin() {
767     return StrideSet.begin();
768   }
769   SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator strides_end() { return StrideSet.end(); }
770
771 private:
772   /// Check if a single basic block loop is vectorizable.
773   /// At this point we know that this is a loop with a constant trip count
774   /// and we only need to check individual instructions.
775   bool canVectorizeInstrs();
776
777   /// When we vectorize loops we may change the order in which
778   /// we read and write from memory. This method checks if it is
779   /// legal to vectorize the code, considering only memory constrains.
780   /// Returns true if the loop is vectorizable
781   bool canVectorizeMemory();
782
783   /// Return true if we can vectorize this loop using the IF-conversion
784   /// transformation.
785   bool canVectorizeWithIfConvert();
786
787   /// Collect the variables that need to stay uniform after vectorization.
788   void collectLoopUniforms();
789
790   /// Return true if all of the instructions in the block can be speculatively
791   /// executed. \p SafePtrs is a list of addresses that are known to be legal
792   /// and we know that we can read from them without segfault.
793   bool blockCanBePredicated(BasicBlock *BB, SmallPtrSetImpl<Value *> &SafePtrs);
794
795   /// Returns True, if 'Phi' is the kind of reduction variable for type
796   /// 'Kind'. If this is a reduction variable, it adds it to ReductionList.
797   bool AddReductionVar(PHINode *Phi, ReductionKind Kind);
798   /// Returns a struct describing if the instruction 'I' can be a reduction
799   /// variable of type 'Kind'. If the reduction is a min/max pattern of
800   /// select(icmp()) this function advances the instruction pointer 'I' from the
801   /// compare instruction to the select instruction and stores this pointer in
802   /// 'PatternLastInst' member of the returned struct.
803   ReductionInstDesc isReductionInstr(Instruction *I, ReductionKind Kind,
804                                      ReductionInstDesc &Desc);
805   /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
806   /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
807   static ReductionInstDesc isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
808                                                     ReductionInstDesc &Prev);
809   /// Returns the induction kind of Phi. This function may return NoInduction
810   /// if the PHI is not an induction variable.
811   InductionKind isInductionVariable(PHINode *Phi);
812
813   /// \brief Collect memory access with loop invariant strides.
814   ///
815   /// Looks for accesses like "a[i * StrideA]" where "StrideA" is loop
816   /// invariant.
817   void collectStridedAcccess(Value *LoadOrStoreInst);
818
819   /// Report an analysis message to assist the user in diagnosing loops that are
820   /// not vectorized.
821   void emitAnalysis(Report &Message) {
822     DebugLoc DL = TheLoop->getStartLoc();
823     if (Instruction *I = Message.getInstr())
824       DL = I->getDebugLoc();
825     emitOptimizationRemarkAnalysis(TheFunction->getContext(), DEBUG_TYPE,
826                                    *TheFunction, DL, Message.str());
827   }
828
829   /// The loop that we evaluate.
830   Loop *TheLoop;
831   /// Scev analysis.
832   ScalarEvolution *SE;
833   /// DataLayout analysis.
834   const DataLayout *DL;
835   /// Dominators.
836   DominatorTree *DT;
837   /// Target Library Info.
838   TargetLibraryInfo *TLI;
839   /// Alias analysis.
840   AliasAnalysis *AA;
841   /// Parent function
842   Function *TheFunction;
843
844   //  ---  vectorization state --- //
845
846   /// Holds the integer induction variable. This is the counter of the
847   /// loop.
848   PHINode *Induction;
849   /// Holds the reduction variables.
850   ReductionList Reductions;
851   /// Holds all of the induction variables that we found in the loop.
852   /// Notice that inductions don't need to start at zero and that induction
853   /// variables can be pointers.
854   InductionList Inductions;
855   /// Holds the widest induction type encountered.
856   Type *WidestIndTy;
857
858   /// Allowed outside users. This holds the reduction
859   /// vars which can be accessed from outside the loop.
860   SmallPtrSet<Value*, 4> AllowedExit;
861   /// This set holds the variables which are known to be uniform after
862   /// vectorization.
863   SmallPtrSet<Instruction*, 4> Uniforms;
864   /// We need to check that all of the pointers in this list are disjoint
865   /// at runtime.
866   RuntimePointerCheck PtrRtCheck;
867   /// Can we assume the absence of NaNs.
868   bool HasFunNoNaNAttr;
869
870   unsigned MaxSafeDepDistBytes;
871
872   ValueToValueMap Strides;
873   SmallPtrSet<Value *, 8> StrideSet;
874 };
875
876 /// LoopVectorizationCostModel - estimates the expected speedups due to
877 /// vectorization.
878 /// In many cases vectorization is not profitable. This can happen because of
879 /// a number of reasons. In this class we mainly attempt to predict the
880 /// expected speedup/slowdowns due to the supported instruction set. We use the
881 /// TargetTransformInfo to query the different backends for the cost of
882 /// different operations.
883 class LoopVectorizationCostModel {
884 public:
885   LoopVectorizationCostModel(Loop *L, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
886                              LoopVectorizationLegality *Legal,
887                              const TargetTransformInfo &TTI,
888                              const DataLayout *DL, const TargetLibraryInfo *TLI,
889                              AssumptionTracker *AT, const Function *F,
890                              const LoopVectorizeHints *Hints)
891       : TheLoop(L), SE(SE), LI(LI), Legal(Legal), TTI(TTI), DL(DL), TLI(TLI),
892         TheFunction(F), Hints(Hints) {
893     CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AT, EphValues);
894   }
895
896   /// Information about vectorization costs
897   struct VectorizationFactor {
898     unsigned Width; // Vector width with best cost
899     unsigned Cost; // Cost of the loop with that width
900   };
901   /// \return The most profitable vectorization factor and the cost of that VF.
902   /// This method checks every power of two up to VF. If UserVF is not ZERO
903   /// then this vectorization factor will be selected if vectorization is
904   /// possible.
905   VectorizationFactor selectVectorizationFactor(bool OptForSize);
906
907   /// \return The size (in bits) of the widest type in the code that
908   /// needs to be vectorized. We ignore values that remain scalar such as
909   /// 64 bit loop indices.
910   unsigned getWidestType();
911
912   /// \return The most profitable unroll factor.
913   /// If UserUF is non-zero then this method finds the best unroll-factor
914   /// based on register pressure and other parameters.
915   /// VF and LoopCost are the selected vectorization factor and the cost of the
916   /// selected VF.
917   unsigned selectUnrollFactor(bool OptForSize, unsigned VF, unsigned LoopCost);
918
919   /// \brief A struct that represents some properties of the register usage
920   /// of a loop.
921   struct RegisterUsage {
922     /// Holds the number of loop invariant values that are used in the loop.
923     unsigned LoopInvariantRegs;
924     /// Holds the maximum number of concurrent live intervals in the loop.
925     unsigned MaxLocalUsers;
926     /// Holds the number of instructions in the loop.
927     unsigned NumInstructions;
928   };
929
930   /// \return  information about the register usage of the loop.
931   RegisterUsage calculateRegisterUsage();
932
933 private:
934   /// Returns the expected execution cost. The unit of the cost does
935   /// not matter because we use the 'cost' units to compare different
936   /// vector widths. The cost that is returned is *not* normalized by
937   /// the factor width.
938   unsigned expectedCost(unsigned VF);
939
940   /// Returns the execution time cost of an instruction for a given vector
941   /// width. Vector width of one means scalar.
942   unsigned getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
943
944   /// A helper function for converting Scalar types to vector types.
945   /// If the incoming type is void, we return void. If the VF is 1, we return
946   /// the scalar type.
947   static Type* ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF);
948
949   /// Returns whether the instruction is a load or store and will be a emitted
950   /// as a vector operation.
951   bool isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *I);
952
953   /// Report an analysis message to assist the user in diagnosing loops that are
954   /// not vectorized.
955   void emitAnalysis(Report &Message) {
956     DebugLoc DL = TheLoop->getStartLoc();
957     if (Instruction *I = Message.getInstr())
958       DL = I->getDebugLoc();
959     emitOptimizationRemarkAnalysis(TheFunction->getContext(), DEBUG_TYPE,
960                                    *TheFunction, DL, Message.str());
961   }
962
963   /// Values used only by @llvm.assume calls.
964   SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
965
966   /// The loop that we evaluate.
967   Loop *TheLoop;
968   /// Scev analysis.
969   ScalarEvolution *SE;
970   /// Loop Info analysis.
971   LoopInfo *LI;
972   /// Vectorization legality.
973   LoopVectorizationLegality *Legal;
974   /// Vector target information.
975   const TargetTransformInfo &TTI;
976   /// Target data layout information.
977   const DataLayout *DL;
978   /// Target Library Info.
979   const TargetLibraryInfo *TLI;
980   const Function *TheFunction;
981   // Loop Vectorize Hint.
982   const LoopVectorizeHints *Hints;
983 };
984
985 /// Utility class for getting and setting loop vectorizer hints in the form
986 /// of loop metadata.
987 /// This class keeps a number of loop annotations locally (as member variables)
988 /// and can, upon request, write them back as metadata on the loop. It will
989 /// initially scan the loop for existing metadata, and will update the local
990 /// values based on information in the loop.
991 /// We cannot write all values to metadata, as the mere presence of some info,
992 /// for example 'force', means a decision has been made. So, we need to be
993 /// careful NOT to add them if the user hasn't specifically asked so.
994 class LoopVectorizeHints {
995   enum HintKind {
996     HK_WIDTH,
997     HK_UNROLL,
998     HK_FORCE
999   };
1000
1001   /// Hint - associates name and validation with the hint value.
1002   struct Hint {
1003     const char * Name;
1004     unsigned Value; // This may have to change for non-numeric values.
1005     HintKind Kind;
1006
1007     Hint(const char * Name, unsigned Value, HintKind Kind)
1008       : Name(Name), Value(Value), Kind(Kind) { }
1009
1010     bool validate(unsigned Val) {
1011       switch (Kind) {
1012       case HK_WIDTH:
1013         return isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxVectorWidth;
1014       case HK_UNROLL:
1015         return isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxInterleaveFactor;
1016       case HK_FORCE:
1017         return (Val <= 1);
1018       }
1019       return false;
1020     }
1021   };
1022
1023   /// Vectorization width.
1024   Hint Width;
1025   /// Vectorization interleave factor.
1026   Hint Interleave;
1027   /// Vectorization forced
1028   Hint Force;
1029
1030   /// Return the loop metadata prefix.
1031   static StringRef Prefix() { return "llvm.loop."; }
1032
1033 public:
1034   enum ForceKind {
1035     FK_Undefined = -1, ///< Not selected.
1036     FK_Disabled = 0,   ///< Forcing disabled.
1037     FK_Enabled = 1,    ///< Forcing enabled.
1038   };
1039
1040   LoopVectorizeHints(const Loop *L, bool DisableInterleaving)
1041       : Width("vectorize.width", VectorizationFactor, HK_WIDTH),
1042         Interleave("interleave.count", DisableInterleaving, HK_UNROLL),
1043         Force("vectorize.enable", FK_Undefined, HK_FORCE),
1044         TheLoop(L) {
1045     // Populate values with existing loop metadata.
1046     getHintsFromMetadata();
1047
1048     // force-vector-interleave overrides DisableInterleaving.
1049     if (VectorizationInterleave.getNumOccurrences() > 0)
1050       Interleave.Value = VectorizationInterleave;
1051
1052     DEBUG(if (DisableInterleaving && Interleave.Value == 1) dbgs()
1053           << "LV: Interleaving disabled by the pass manager\n");
1054   }
1055
1056   /// Mark the loop L as already vectorized by setting the width to 1.
1057   void setAlreadyVectorized() {
1058     Width.Value = Interleave.Value = 1;
1059     Hint Hints[] = {Width, Interleave};
1060     writeHintsToMetadata(Hints);
1061   }
1062
1063   /// Dumps all the hint information.
1064   std::string emitRemark() const {
1065     Report R;
1066     if (Force.Value == LoopVectorizeHints::FK_Disabled)
1067       R << "vectorization is explicitly disabled";
1068     else {
1069       R << "use -Rpass-analysis=loop-vectorize for more info";
1070       if (Force.Value == LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1071         R << " (Force=true";
1072         if (Width.Value != 0)
1073           R << ", Vector Width=" << Width.Value;
1074         if (Interleave.Value != 0)
1075           R << ", Interleave Count=" << Interleave.Value;
1076         R << ")";
1077       }
1078     }
1079
1080     return R.str();
1081   }
1082
1083   unsigned getWidth() const { return Width.Value; }
1084   unsigned getInterleave() const { return Interleave.Value; }
1085   enum ForceKind getForce() const { return (ForceKind)Force.Value; }
1086
1087 private:
1088   /// Find hints specified in the loop metadata and update local values.
1089   void getHintsFromMetadata() {
1090     MDNode *LoopID = TheLoop->getLoopID();
1091     if (!LoopID)
1092       return;
1093
1094     // First operand should refer to the loop id itself.
1095     assert(LoopID->getNumOperands() > 0 && "requires at least one operand");
1096     assert(LoopID->getOperand(0) == LoopID && "invalid loop id");
1097
1098     for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
1099       const MDString *S = nullptr;
1100       SmallVector<Metadata *, 4> Args;
1101
1102       // The expected hint is either a MDString or a MDNode with the first
1103       // operand a MDString.
1104       if (const MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i))) {
1105         if (!MD || MD->getNumOperands() == 0)
1106           continue;
1107         S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
1108         for (unsigned i = 1, ie = MD->getNumOperands(); i < ie; ++i)
1109           Args.push_back(MD->getOperand(i));
1110       } else {
1111         S = dyn_cast<MDString>(LoopID->getOperand(i));
1112         assert(Args.size() == 0 && "too many arguments for MDString");
1113       }
1114
1115       if (!S)
1116         continue;
1117
1118       // Check if the hint starts with the loop metadata prefix.
1119       StringRef Name = S->getString();
1120       if (Args.size() == 1)
1121         setHint(Name, Args[0]);
1122     }
1123   }
1124
1125   /// Checks string hint with one operand and set value if valid.
1126   void setHint(StringRef Name, Metadata *Arg) {
1127     if (!Name.startswith(Prefix()))
1128       return;
1129     Name = Name.substr(Prefix().size(), StringRef::npos);
1130
1131     const ConstantInt *C = mdconst::dyn_extract<ConstantInt>(Arg);
1132     if (!C) return;
1133     unsigned Val = C->getZExtValue();
1134
1135     Hint *Hints[] = {&Width, &Interleave, &Force};
1136     for (auto H : Hints) {
1137       if (Name == H->Name) {
1138         if (H->validate(Val))
1139           H->Value = Val;
1140         else
1141           DEBUG(dbgs() << "LV: ignoring invalid hint '" << Name << "'\n");
1142         break;
1143       }
1144     }
1145   }
1146
1147   /// Create a new hint from name / value pair.
1148   MDNode *createHintMetadata(StringRef Name, unsigned V) const {
1149     LLVMContext &Context = TheLoop->getHeader()->getContext();
1150     Metadata *MDs[] = {MDString::get(Context, Name),
1151                        ConstantAsMetadata::get(
1152                            ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Context), V))};
1153     return MDNode::get(Context, MDs);
1154   }
1155
1156   /// Matches metadata with hint name.
1157   bool matchesHintMetadataName(MDNode *Node, ArrayRef<Hint> HintTypes) {
1158     MDString* Name = dyn_cast<MDString>(Node->getOperand(0));
1159     if (!Name)
1160       return false;
1161
1162     for (auto H : HintTypes)
1163       if (Name->getString().endswith(H.Name))
1164         return true;
1165     return false;
1166   }
1167
1168   /// Sets current hints into loop metadata, keeping other values intact.
1169   void writeHintsToMetadata(ArrayRef<Hint> HintTypes) {
1170     if (HintTypes.size() == 0)
1171       return;
1172
1173     // Reserve the first element to LoopID (see below).
1174     SmallVector<Metadata *, 4> MDs(1);
1175     // If the loop already has metadata, then ignore the existing operands.
1176     MDNode *LoopID = TheLoop->getLoopID();
1177     if (LoopID) {
1178       for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
1179         MDNode *Node = cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
1180         // If node in update list, ignore old value.
1181         if (!matchesHintMetadataName(Node, HintTypes))
1182           MDs.push_back(Node);
1183       }
1184     }
1185
1186     // Now, add the missing hints.
1187     for (auto H : HintTypes)
1188       MDs.push_back(createHintMetadata(Twine(Prefix(), H.Name).str(), H.Value));
1189
1190     // Replace current metadata node with new one.
1191     LLVMContext &Context = TheLoop->getHeader()->getContext();
1192     MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
1193     // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
1194     NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
1195
1196     TheLoop->setLoopID(NewLoopID);
1197     LoopID = NewLoopID;
1198   }
1199
1200   /// The loop these hints belong to.
1201   const Loop *TheLoop;
1202 };
1203
1204 static void emitMissedWarning(Function *F, Loop *L,
1205                               const LoopVectorizeHints &LH) {
1206   emitOptimizationRemarkMissed(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1207                                L->getStartLoc(), LH.emitRemark());
1208
1209   if (LH.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1210     if (LH.getWidth() != 1)
1211       emitLoopVectorizeWarning(
1212           F->getContext(), *F, L->getStartLoc(),
1213           "failed explicitly specified loop vectorization");
1214     else if (LH.getInterleave() != 1)
1215       emitLoopInterleaveWarning(
1216           F->getContext(), *F, L->getStartLoc(),
1217           "failed explicitly specified loop interleaving");
1218   }
1219 }
1220
1221 static void addInnerLoop(Loop &L, SmallVectorImpl<Loop *> &V) {
1222   if (L.empty())
1223     return V.push_back(&L);
1224
1225   for (Loop *InnerL : L)
1226     addInnerLoop(*InnerL, V);
1227 }
1228
1229 /// The LoopVectorize Pass.
1230 struct LoopVectorize : public FunctionPass {
1231   /// Pass identification, replacement for typeid
1232   static char ID;
1233
1234   explicit LoopVectorize(bool NoUnrolling = false, bool AlwaysVectorize = true)
1235     : FunctionPass(ID),
1236       DisableUnrolling(NoUnrolling),
1237       AlwaysVectorize(AlwaysVectorize) {
1238     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1239   }
1240
1241   ScalarEvolution *SE;
1242   const DataLayout *DL;
1243   LoopInfo *LI;
1244   TargetTransformInfo *TTI;
1245   DominatorTree *DT;
1246   BlockFrequencyInfo *BFI;
1247   TargetLibraryInfo *TLI;
1248   AliasAnalysis *AA;
1249   AssumptionTracker *AT;
1250   bool DisableUnrolling;
1251   bool AlwaysVectorize;
1252
1253   BlockFrequency ColdEntryFreq;
1254
1255   bool runOnFunction(Function &F) override {
1256     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1257     DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
1258     DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
1259     LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1260     TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
1261     DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1262     BFI = &getAnalysis<BlockFrequencyInfo>();
1263     TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
1264     AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
1265     AT = &getAnalysis<AssumptionTracker>();
1266
1267     // Compute some weights outside of the loop over the loops. Compute this
1268     // using a BranchProbability to re-use its scaling math.
1269     const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
1270     ColdEntryFreq = BlockFrequency(BFI->getEntryFreq()) * ColdProb;
1271
1272     // If the target claims to have no vector registers don't attempt
1273     // vectorization.
1274     if (!TTI->getNumberOfRegisters(true))
1275       return false;
1276
1277     if (!DL) {
1278       DEBUG(dbgs() << "\nLV: Not vectorizing " << F.getName()
1279                    << ": Missing data layout\n");
1280       return false;
1281     }
1282
1283     // Build up a worklist of inner-loops to vectorize. This is necessary as
1284     // the act of vectorizing or partially unrolling a loop creates new loops
1285     // and can invalidate iterators across the loops.
1286     SmallVector<Loop *, 8> Worklist;
1287
1288     for (Loop *L : *LI)
1289       addInnerLoop(*L, Worklist);
1290
1291     LoopsAnalyzed += Worklist.size();
1292
1293     // Now walk the identified inner loops.
1294     bool Changed = false;
1295     while (!Worklist.empty())
1296       Changed |= processLoop(Worklist.pop_back_val());
1297
1298     // Process each loop nest in the function.
1299     return Changed;
1300   }
1301
1302   bool processLoop(Loop *L) {
1303     assert(L->empty() && "Only process inner loops.");
1304
1305 #ifndef NDEBUG
1306     const std::string DebugLocStr = getDebugLocString(L);
1307 #endif /* NDEBUG */
1308
1309     DEBUG(dbgs() << "\nLV: Checking a loop in \""
1310                  << L->getHeader()->getParent()->getName() << "\" from "
1311                  << DebugLocStr << "\n");
1312
1313     LoopVectorizeHints Hints(L, DisableUnrolling);
1314
1315     DEBUG(dbgs() << "LV: Loop hints:"
1316                  << " force="
1317                  << (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Disabled
1318                          ? "disabled"
1319                          : (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled
1320                                 ? "enabled"
1321                                 : "?")) << " width=" << Hints.getWidth()
1322                  << " unroll=" << Hints.getInterleave() << "\n");
1323
1324     // Function containing loop
1325     Function *F = L->getHeader()->getParent();
1326
1327     // Looking at the diagnostic output is the only way to determine if a loop
1328     // was vectorized (other than looking at the IR or machine code), so it
1329     // is important to generate an optimization remark for each loop. Most of
1330     // these messages are generated by emitOptimizationRemarkAnalysis. Remarks
1331     // generated by emitOptimizationRemark and emitOptimizationRemarkMissed are
1332     // less verbose reporting vectorized loops and unvectorized loops that may
1333     // benefit from vectorization, respectively.
1334
1335     if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Disabled) {
1336       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: #pragma vectorize disable.\n");
1337       emitOptimizationRemarkAnalysis(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1338                                      L->getStartLoc(), Hints.emitRemark());
1339       return false;
1340     }
1341
1342     if (!AlwaysVectorize && Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1343       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: No #pragma vectorize enable.\n");
1344       emitOptimizationRemarkAnalysis(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1345                                      L->getStartLoc(), Hints.emitRemark());
1346       return false;
1347     }
1348
1349     if (Hints.getWidth() == 1 && Hints.getInterleave() == 1) {
1350       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Disabled/already vectorized.\n");
1351       emitOptimizationRemarkAnalysis(
1352           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1353           "loop not vectorized: vector width and interleave count are "
1354           "explicitly set to 1");
1355       return false;
1356     }
1357
1358     // Check the loop for a trip count threshold:
1359     // do not vectorize loops with a tiny trip count.
1360     const unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(L);
1361     if (TC > 0u && TC < TinyTripCountVectorThreshold) {
1362       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. "
1363                    << "This loop is not worth vectorizing.");
1364       if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled)
1365         DEBUG(dbgs() << " But vectorizing was explicitly forced.\n");
1366       else {
1367         DEBUG(dbgs() << "\n");
1368         emitOptimizationRemarkAnalysis(
1369             F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1370             "vectorization is not beneficial and is not explicitly forced");
1371         return false;
1372       }
1373     }
1374
1375     // Check if it is legal to vectorize the loop.
1376     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DL, DT, TLI, AA, F);
1377     if (!LVL.canVectorize()) {
1378       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Cannot prove legality.\n");
1379       emitMissedWarning(F, L, Hints);
1380       return false;
1381     }
1382
1383     // Use the cost model.
1384     LoopVectorizationCostModel CM(L, SE, LI, &LVL, *TTI, DL, TLI, AT, F,
1385                                   &Hints);
1386
1387     // Check the function attributes to find out if this function should be
1388     // optimized for size.
1389     bool OptForSize = Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled &&
1390                       F->hasFnAttribute(Attribute::OptimizeForSize);
1391
1392     // Compute the weighted frequency of this loop being executed and see if it
1393     // is less than 20% of the function entry baseline frequency. Note that we
1394     // always have a canonical loop here because we think we *can* vectoriez.
1395     // FIXME: This is hidden behind a flag due to pervasive problems with
1396     // exactly what block frequency models.
1397     if (LoopVectorizeWithBlockFrequency) {
1398       BlockFrequency LoopEntryFreq = BFI->getBlockFreq(L->getLoopPreheader());
1399       if (Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled &&
1400           LoopEntryFreq < ColdEntryFreq)
1401         OptForSize = true;
1402     }
1403
1404     // Check the function attributes to see if implicit floats are allowed.a
1405     // FIXME: This check doesn't seem possibly correct -- what if the loop is
1406     // an integer loop and the vector instructions selected are purely integer
1407     // vector instructions?
1408     if (F->hasFnAttribute(Attribute::NoImplicitFloat)) {
1409       DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize when the NoImplicitFloat"
1410             "attribute is used.\n");
1411       emitOptimizationRemarkAnalysis(
1412           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1413           "loop not vectorized due to NoImplicitFloat attribute");
1414       emitMissedWarning(F, L, Hints);
1415       return false;
1416     }
1417
1418     // Select the optimal vectorization factor.
1419     const LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor VF =
1420         CM.selectVectorizationFactor(OptForSize);
1421
1422     // Select the unroll factor.
1423     const unsigned UF =
1424         CM.selectUnrollFactor(OptForSize, VF.Width, VF.Cost);
1425
1426     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop (" << VF.Width << ") in "
1427                  << DebugLocStr << '\n');
1428     DEBUG(dbgs() << "LV: Unroll Factor is " << UF << '\n');
1429
1430     if (VF.Width == 1) {
1431       DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial\n");
1432
1433       if (UF == 1) {
1434         emitOptimizationRemarkAnalysis(
1435             F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1436             "not beneficial to vectorize and user disabled interleaving");
1437         return false;
1438       }
1439       DEBUG(dbgs() << "LV: Trying to at least unroll the loops.\n");
1440
1441       // Report the unrolling decision.
1442       emitOptimizationRemark(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1443                              Twine("unrolled with interleaving factor " +
1444                                    Twine(UF) +
1445                                    " (vectorization not beneficial)"));
1446
1447       // We decided not to vectorize, but we may want to unroll.
1448
1449       InnerLoopUnroller Unroller(L, SE, LI, DT, DL, TLI, UF);
1450       Unroller.vectorize(&LVL);
1451     } else {
1452       // If we decided that it is *legal* to vectorize the loop then do it.
1453       InnerLoopVectorizer LB(L, SE, LI, DT, DL, TLI, VF.Width, UF);
1454       LB.vectorize(&LVL);
1455       ++LoopsVectorized;
1456
1457       // Report the vectorization decision.
1458       emitOptimizationRemark(
1459           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1460           Twine("vectorized loop (vectorization factor: ") + Twine(VF.Width) +
1461               ", unrolling interleave factor: " + Twine(UF) + ")");
1462     }
1463
1464     // Mark the loop as already vectorized to avoid vectorizing again.
1465     Hints.setAlreadyVectorized();
1466
1467     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
1468     return true;
1469   }
1470
1471   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1472     AU.addRequired<AssumptionTracker>();
1473     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
1474     AU.addRequiredID(LCSSAID);
1475     AU.addRequired<BlockFrequencyInfo>();
1476     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
1477     AU.addRequired<LoopInfo>();
1478     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
1479     AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
1480     AU.addRequired<AliasAnalysis>();
1481     AU.addPreserved<LoopInfo>();
1482     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
1483     AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
1484   }
1485
1486 };
1487
1488 } // end anonymous namespace
1489
1490 //===----------------------------------------------------------------------===//
1491 // Implementation of LoopVectorizationLegality, InnerLoopVectorizer and
1492 // LoopVectorizationCostModel.
1493 //===----------------------------------------------------------------------===//
1494
1495 static Value *stripIntegerCast(Value *V) {
1496   if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(V))
1497     if (CI->getOperand(0)->getType()->isIntegerTy())
1498       return CI->getOperand(0);
1499   return V;
1500 }
1501
1502 ///\brief Replaces the symbolic stride in a pointer SCEV expression by one.
1503 ///
1504 /// If \p OrigPtr is not null, use it to look up the stride value instead of
1505 /// \p Ptr.
1506 static const SCEV *replaceSymbolicStrideSCEV(ScalarEvolution *SE,
1507                                              ValueToValueMap &PtrToStride,
1508                                              Value *Ptr, Value *OrigPtr = nullptr) {
1509
1510   const SCEV *OrigSCEV = SE->getSCEV(Ptr);
1511
1512   // If there is an entry in the map return the SCEV of the pointer with the
1513   // symbolic stride replaced by one.
1514   ValueToValueMap::iterator SI = PtrToStride.find(OrigPtr ? OrigPtr : Ptr);
1515   if (SI != PtrToStride.end()) {
1516     Value *StrideVal = SI->second;
1517
1518     // Strip casts.
1519     StrideVal = stripIntegerCast(StrideVal);
1520
1521     // Replace symbolic stride by one.
1522     Value *One = ConstantInt::get(StrideVal->getType(), 1);
1523     ValueToValueMap RewriteMap;
1524     RewriteMap[StrideVal] = One;
1525
1526     const SCEV *ByOne =
1527         SCEVParameterRewriter::rewrite(OrigSCEV, *SE, RewriteMap, true);
1528     DEBUG(dbgs() << "LV: Replacing SCEV: " << *OrigSCEV << " by: " << *ByOne
1529                  << "\n");
1530     return ByOne;
1531   }
1532
1533   // Otherwise, just return the SCEV of the original pointer.
1534   return SE->getSCEV(Ptr);
1535 }
1536
1537 void LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck::insert(
1538     ScalarEvolution *SE, Loop *Lp, Value *Ptr, bool WritePtr, unsigned DepSetId,
1539     unsigned ASId, ValueToValueMap &Strides) {
1540   // Get the stride replaced scev.
1541   const SCEV *Sc = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, Ptr);
1542   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Sc);
1543   assert(AR && "Invalid addrec expression");
1544   const SCEV *Ex = SE->getBackedgeTakenCount(Lp);
1545   const SCEV *ScEnd = AR->evaluateAtIteration(Ex, *SE);
1546   Pointers.push_back(Ptr);
1547   Starts.push_back(AR->getStart());
1548   Ends.push_back(ScEnd);
1549   IsWritePtr.push_back(WritePtr);
1550   DependencySetId.push_back(DepSetId);
1551   AliasSetId.push_back(ASId);
1552 }
1553
1554 Value *InnerLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
1555   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop.
1556   Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(V);
1557   bool NewInstr =
1558       (Instr && std::find(LoopVectorBody.begin(), LoopVectorBody.end(),
1559                           Instr->getParent()) != LoopVectorBody.end());
1560   bool Invariant = OrigLoop->isLoopInvariant(V) && !NewInstr;
1561
1562   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
1563   IRBuilder<>::InsertPointGuard Guard(Builder);
1564   if (Invariant)
1565     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1566
1567   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
1568   Value *Shuf = Builder.CreateVectorSplat(VF, V, "broadcast");
1569
1570   return Shuf;
1571 }
1572
1573 Value *InnerLoopVectorizer::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
1574                                                  bool Negate) {
1575   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
1576   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
1577          "Elem must be an integer");
1578   // Create the types.
1579   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
1580   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
1581   int VLen = Ty->getNumElements();
1582   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
1583
1584   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
1585   for (int i = 0; i < VLen; ++i) {
1586     int64_t Idx = Negate ? (-i) : i;
1587     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, StartIdx + Idx, Negate));
1588   }
1589
1590   // Add the consecutive indices to the vector value.
1591   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
1592   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
1593   return Builder.CreateAdd(Val, Cv, "induction");
1594 }
1595
1596 /// \brief Find the operand of the GEP that should be checked for consecutive
1597 /// stores. This ignores trailing indices that have no effect on the final
1598 /// pointer.
1599 static unsigned getGEPInductionOperand(const DataLayout *DL,
1600                                        const GetElementPtrInst *Gep) {
1601   unsigned LastOperand = Gep->getNumOperands() - 1;
1602   unsigned GEPAllocSize = DL->getTypeAllocSize(
1603       cast<PointerType>(Gep->getType()->getScalarType())->getElementType());
1604
1605   // Walk backwards and try to peel off zeros.
1606   while (LastOperand > 1 && match(Gep->getOperand(LastOperand), m_Zero())) {
1607     // Find the type we're currently indexing into.
1608     gep_type_iterator GEPTI = gep_type_begin(Gep);
1609     std::advance(GEPTI, LastOperand - 1);
1610
1611     // If it's a type with the same allocation size as the result of the GEP we
1612     // can peel off the zero index.
1613     if (DL->getTypeAllocSize(*GEPTI) != GEPAllocSize)
1614       break;
1615     --LastOperand;
1616   }
1617
1618   return LastOperand;
1619 }
1620
1621 int LoopVectorizationLegality::isConsecutivePtr(Value *Ptr) {
1622   assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected non-ptr");
1623   // Make sure that the pointer does not point to structs.
1624   if (Ptr->getType()->getPointerElementType()->isAggregateType())
1625     return 0;
1626
1627   // If this value is a pointer induction variable we know it is consecutive.
1628   PHINode *Phi = dyn_cast_or_null<PHINode>(Ptr);
1629   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1630     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1631     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1632       return 1;
1633     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1634       return -1;
1635   }
1636
1637   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast_or_null<GetElementPtrInst>(Ptr);
1638   if (!Gep)
1639     return 0;
1640
1641   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1642   Value *GpPtr = Gep->getPointerOperand();
1643   // If this GEP value is a consecutive pointer induction variable and all of
1644   // the indices are constant then we know it is consecutive. We can
1645   Phi = dyn_cast<PHINode>(GpPtr);
1646   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1647
1648     // Make sure that the pointer does not point to structs.
1649     PointerType *GepPtrType = cast<PointerType>(GpPtr->getType());
1650     if (GepPtrType->getElementType()->isAggregateType())
1651       return 0;
1652
1653     // Make sure that all of the index operands are loop invariant.
1654     for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i)
1655       if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1656         return 0;
1657
1658     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1659     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1660       return 1;
1661     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1662       return -1;
1663   }
1664
1665   unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(DL, Gep);
1666
1667   // Check that all of the gep indices are uniform except for our induction
1668   // operand.
1669   for (unsigned i = 0; i != NumOperands; ++i)
1670     if (i != InductionOperand &&
1671         !SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1672       return 0;
1673
1674   // We can emit wide load/stores only if the last non-zero index is the
1675   // induction variable.
1676   const SCEV *Last = nullptr;
1677   if (!Strides.count(Gep))
1678     Last = SE->getSCEV(Gep->getOperand(InductionOperand));
1679   else {
1680     // Because of the multiplication by a stride we can have a s/zext cast.
1681     // We are going to replace this stride by 1 so the cast is safe to ignore.
1682     //
1683     //  %indvars.iv = phi i64 [ 0, %entry ], [ %indvars.iv.next, %for.body ]
1684     //  %0 = trunc i64 %indvars.iv to i32
1685     //  %mul = mul i32 %0, %Stride1
1686     //  %idxprom = zext i32 %mul to i64  << Safe cast.
1687     //  %arrayidx = getelementptr inbounds i32* %B, i64 %idxprom
1688     //
1689     Last = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides,
1690                                      Gep->getOperand(InductionOperand), Gep);
1691     if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(Last))
1692       Last =
1693           (C->getSCEVType() == scSignExtend || C->getSCEVType() == scZeroExtend)
1694               ? C->getOperand()
1695               : Last;
1696   }
1697   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
1698     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
1699
1700     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
1701     // and all other indices are loop invariant.
1702     if (Step->isOne())
1703       return 1;
1704     if (Step->isAllOnesValue())
1705       return -1;
1706   }
1707
1708   return 0;
1709 }
1710
1711 bool LoopVectorizationLegality::isUniform(Value *V) {
1712   return (SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(V), TheLoop));
1713 }
1714
1715 InnerLoopVectorizer::VectorParts&
1716 InnerLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
1717   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
1718   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
1719
1720   // If we have a stride that is replaced by one, do it here.
1721   if (Legal->hasStride(V))
1722     V = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1723
1724   // If we have this scalar in the map, return it.
1725   if (WidenMap.has(V))
1726     return WidenMap.get(V);
1727
1728   // If this scalar is unknown, assume that it is a constant or that it is
1729   // loop invariant. Broadcast V and save the value for future uses.
1730   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
1731   return WidenMap.splat(V, B);
1732 }
1733
1734 Value *InnerLoopVectorizer::reverseVector(Value *Vec) {
1735   assert(Vec->getType()->isVectorTy() && "Invalid type");
1736   SmallVector<Constant*, 8> ShuffleMask;
1737   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
1738     ShuffleMask.push_back(Builder.getInt32(VF - i - 1));
1739
1740   return Builder.CreateShuffleVector(Vec, UndefValue::get(Vec->getType()),
1741                                      ConstantVector::get(ShuffleMask),
1742                                      "reverse");
1743 }
1744
1745 void InnerLoopVectorizer::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) {
1746   // Attempt to issue a wide load.
1747   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Instr);
1748   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
1749
1750   assert((LI || SI) && "Invalid Load/Store instruction");
1751
1752   Type *ScalarDataTy = LI ? LI->getType() : SI->getValueOperand()->getType();
1753   Type *DataTy = VectorType::get(ScalarDataTy, VF);
1754   Value *Ptr = LI ? LI->getPointerOperand() : SI->getPointerOperand();
1755   unsigned Alignment = LI ? LI->getAlignment() : SI->getAlignment();
1756   // An alignment of 0 means target abi alignment. We need to use the scalar's
1757   // target abi alignment in such a case.
1758   if (!Alignment)
1759     Alignment = DL->getABITypeAlignment(ScalarDataTy);
1760   unsigned AddressSpace = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
1761   unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ScalarDataTy);
1762   unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(DataTy)/VF;
1763
1764   if (SI && Legal->blockNeedsPredication(SI->getParent()))
1765     return scalarizeInstruction(Instr, true);
1766
1767   if (ScalarAllocatedSize != VectorElementSize)
1768     return scalarizeInstruction(Instr);
1769
1770   // If the pointer is loop invariant or if it is non-consecutive,
1771   // scalarize the load.
1772   int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
1773   bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
1774   bool UniformLoad = LI && Legal->isUniform(Ptr);
1775   if (!ConsecutiveStride || UniformLoad)
1776     return scalarizeInstruction(Instr);
1777
1778   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1779   VectorParts &Entry = WidenMap.get(Instr);
1780
1781   // Handle consecutive loads/stores.
1782   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
1783   if (Gep && Legal->isInductionVariable(Gep->getPointerOperand())) {
1784     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1785     Value *PtrOperand = Gep->getPointerOperand();
1786     Value *FirstBasePtr = getVectorValue(PtrOperand)[0];
1787     FirstBasePtr = Builder.CreateExtractElement(FirstBasePtr, Zero);
1788
1789     // Create the new GEP with the new induction variable.
1790     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1791     Gep2->setOperand(0, FirstBasePtr);
1792     Gep2->setName("gep.indvar.base");
1793     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1794   } else if (Gep) {
1795     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1796     assert(SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getPointerOperand()),
1797                                OrigLoop) && "Base ptr must be invariant");
1798
1799     // The last index does not have to be the induction. It can be
1800     // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
1801     unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1802     unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(DL, Gep);
1803     // Create the new GEP with the new induction variable.
1804     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1805
1806     for (unsigned i = 0; i < NumOperands; ++i) {
1807       Value *GepOperand = Gep->getOperand(i);
1808       Instruction *GepOperandInst = dyn_cast<Instruction>(GepOperand);
1809
1810       // Update last index or loop invariant instruction anchored in loop.
1811       if (i == InductionOperand ||
1812           (GepOperandInst && OrigLoop->contains(GepOperandInst))) {
1813         assert((i == InductionOperand ||
1814                SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GepOperandInst), OrigLoop)) &&
1815                "Must be last index or loop invariant");
1816
1817         VectorParts &GEPParts = getVectorValue(GepOperand);
1818         Value *Index = GEPParts[0];
1819         Index = Builder.CreateExtractElement(Index, Zero);
1820         Gep2->setOperand(i, Index);
1821         Gep2->setName("gep.indvar.idx");
1822       }
1823     }
1824     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1825   } else {
1826     // Use the induction element ptr.
1827     assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
1828     setDebugLocFromInst(Builder, Ptr);
1829     VectorParts &PtrVal = getVectorValue(Ptr);
1830     Ptr = Builder.CreateExtractElement(PtrVal[0], Zero);
1831   }
1832
1833   // Handle Stores:
1834   if (SI) {
1835     assert(!Legal->isUniform(SI->getPointerOperand()) &&
1836            "We do not allow storing to uniform addresses");
1837     setDebugLocFromInst(Builder, SI);
1838     // We don't want to update the value in the map as it might be used in
1839     // another expression. So don't use a reference type for "StoredVal".
1840     VectorParts StoredVal = getVectorValue(SI->getValueOperand());
1841
1842     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1843       // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1844       Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1845
1846       if (Reverse) {
1847         // If we store to reverse consecutive memory locations then we need
1848         // to reverse the order of elements in the stored value.
1849         StoredVal[Part] = reverseVector(StoredVal[Part]);
1850         // If the address is consecutive but reversed, then the
1851         // wide store needs to start at the last vector element.
1852         PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1853         PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1854       }
1855
1856       Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1857                                             DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1858       StoreInst *NewSI =
1859         Builder.CreateAlignedStore(StoredVal[Part], VecPtr, Alignment);
1860       propagateMetadata(NewSI, SI);
1861     }
1862     return;
1863   }
1864
1865   // Handle loads.
1866   assert(LI && "Must have a load instruction");
1867   setDebugLocFromInst(Builder, LI);
1868   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1869     // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1870     Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1871
1872     if (Reverse) {
1873       // If the address is consecutive but reversed, then the
1874       // wide load needs to start at the last vector element.
1875       PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1876       PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1877     }
1878
1879     Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1880                                           DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1881     LoadInst *NewLI = Builder.CreateAlignedLoad(VecPtr, Alignment, "wide.load");
1882     propagateMetadata(NewLI, LI);
1883     Entry[Part] = Reverse ? reverseVector(NewLI) :  NewLI;
1884   }
1885 }
1886
1887 void InnerLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr, bool IfPredicateStore) {
1888   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
1889   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
1890   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
1891
1892   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
1893
1894   // Find all of the vectorized parameters.
1895   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1896     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
1897
1898     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
1899     if (SrcOp == OldInduction) {
1900       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
1901       continue;
1902     }
1903
1904     // Try using previously calculated values.
1905     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
1906
1907     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
1908     // then it should already be vectorized.
1909     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
1910       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
1911       // The parameter is a vector value from earlier.
1912       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
1913     } else {
1914       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
1915       VectorParts Scalars;
1916       Scalars.append(UF, SrcOp);
1917       Params.push_back(Scalars);
1918     }
1919   }
1920
1921   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
1922          "Invalid number of operands");
1923
1924   // Does this instruction return a value ?
1925   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
1926
1927   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? nullptr :
1928     UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
1929   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
1930   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
1931
1932   Instruction *InsertPt = Builder.GetInsertPoint();
1933   BasicBlock *IfBlock = Builder.GetInsertBlock();
1934   BasicBlock *CondBlock = nullptr;
1935
1936   VectorParts Cond;
1937   Loop *VectorLp = nullptr;
1938   if (IfPredicateStore) {
1939     assert(Instr->getParent()->getSinglePredecessor() &&
1940            "Only support single predecessor blocks");
1941     Cond = createEdgeMask(Instr->getParent()->getSinglePredecessor(),
1942                           Instr->getParent());
1943     VectorLp = LI->getLoopFor(IfBlock);
1944     assert(VectorLp && "Must have a loop for this block");
1945   }
1946
1947   // For each vector unroll 'part':
1948   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1949     // For each scalar that we create:
1950     for (unsigned Width = 0; Width < VF; ++Width) {
1951
1952       // Start if-block.
1953       Value *Cmp = nullptr;
1954       if (IfPredicateStore) {
1955         Cmp = Builder.CreateExtractElement(Cond[Part], Builder.getInt32(Width));
1956         Cmp = Builder.CreateICmp(ICmpInst::ICMP_EQ, Cmp, ConstantInt::get(Cmp->getType(), 1));
1957         CondBlock = IfBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "cond.store");
1958         LoopVectorBody.push_back(CondBlock);
1959         VectorLp->addBasicBlockToLoop(CondBlock, LI->getBase());
1960         // Update Builder with newly created basic block.
1961         Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
1962       }
1963
1964       Instruction *Cloned = Instr->clone();
1965       if (!IsVoidRetTy)
1966         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
1967       // Replace the operands of the cloned instructions with extracted scalars.
1968       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1969         Value *Op = Params[op][Part];
1970         // Param is a vector. Need to extract the right lane.
1971         if (Op->getType()->isVectorTy())
1972           Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(Width));
1973         Cloned->setOperand(op, Op);
1974       }
1975
1976       // Place the cloned scalar in the new loop.
1977       Builder.Insert(Cloned);
1978
1979       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
1980       // so that future users will be able to use it.
1981       if (!IsVoidRetTy)
1982         VecResults[Part] = Builder.CreateInsertElement(VecResults[Part], Cloned,
1983                                                        Builder.getInt32(Width));
1984       // End if-block.
1985       if (IfPredicateStore) {
1986          BasicBlock *NewIfBlock = CondBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "else");
1987          LoopVectorBody.push_back(NewIfBlock);
1988          VectorLp->addBasicBlockToLoop(NewIfBlock, LI->getBase());
1989          Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
1990          Instruction *OldBr = IfBlock->getTerminator();
1991          BranchInst::Create(CondBlock, NewIfBlock, Cmp, OldBr);
1992          OldBr->eraseFromParent();
1993          IfBlock = NewIfBlock;
1994       }
1995     }
1996   }
1997 }
1998
1999 static Instruction *getFirstInst(Instruction *FirstInst, Value *V,
2000                                  Instruction *Loc) {
2001   if (FirstInst)
2002     return FirstInst;
2003   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
2004     return I->getParent() == Loc->getParent() ? I : nullptr;
2005   return nullptr;
2006 }
2007
2008 std::pair<Instruction *, Instruction *>
2009 InnerLoopVectorizer::addStrideCheck(Instruction *Loc) {
2010   Instruction *tnullptr = nullptr;
2011   if (!Legal->mustCheckStrides())
2012     return std::pair<Instruction *, Instruction *>(tnullptr, tnullptr);
2013
2014   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
2015
2016   // Emit checks.
2017   Value *Check = nullptr;
2018   Instruction *FirstInst = nullptr;
2019   for (SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator SI = Legal->strides_begin(),
2020                                          SE = Legal->strides_end();
2021        SI != SE; ++SI) {
2022     Value *Ptr = stripIntegerCast(*SI);
2023     Value *C = ChkBuilder.CreateICmpNE(Ptr, ConstantInt::get(Ptr->getType(), 1),
2024                                        "stride.chk");
2025     // Store the first instruction we create.
2026     FirstInst = getFirstInst(FirstInst, C, Loc);
2027     if (Check)
2028       Check = ChkBuilder.CreateOr(Check, C);
2029     else
2030       Check = C;
2031   }
2032
2033   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
2034   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
2035   // the block.
2036   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
2037   Instruction *TheCheck =
2038       BinaryOperator::CreateAnd(Check, ConstantInt::getTrue(Ctx));
2039   ChkBuilder.Insert(TheCheck, "stride.not.one");
2040   FirstInst = getFirstInst(FirstInst, TheCheck, Loc);
2041
2042   return std::make_pair(FirstInst, TheCheck);
2043 }
2044
2045 std::pair<Instruction *, Instruction *>
2046 InnerLoopVectorizer::addRuntimeCheck(Instruction *Loc) {
2047   LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck *PtrRtCheck =
2048   Legal->getRuntimePointerCheck();
2049
2050   Instruction *tnullptr = nullptr;
2051   if (!PtrRtCheck->Need)
2052     return std::pair<Instruction *, Instruction *>(tnullptr, tnullptr);
2053
2054   unsigned NumPointers = PtrRtCheck->Pointers.size();
2055   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Starts;
2056   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Ends;
2057
2058   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
2059   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
2060   Instruction *FirstInst = nullptr;
2061
2062   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
2063     Value *Ptr = PtrRtCheck->Pointers[i];
2064     const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
2065
2066     if (SE->isLoopInvariant(Sc, OrigLoop)) {
2067       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for a loop invariant ptr:" <<
2068             *Ptr <<"\n");
2069       Starts.push_back(Ptr);
2070       Ends.push_back(Ptr);
2071     } else {
2072       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for range:" << *Ptr << '\n');
2073       unsigned AS = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
2074
2075       // Use this type for pointer arithmetic.
2076       Type *PtrArithTy = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS);
2077
2078       Value *Start = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Starts[i], PtrArithTy, Loc);
2079       Value *End = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Ends[i], PtrArithTy, Loc);
2080       Starts.push_back(Start);
2081       Ends.push_back(End);
2082     }
2083   }
2084
2085   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
2086   // Our instructions might fold to a constant.
2087   Value *MemoryRuntimeCheck = nullptr;
2088   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
2089     for (unsigned j = i+1; j < NumPointers; ++j) {
2090       // No need to check if two readonly pointers intersect.
2091       if (!PtrRtCheck->IsWritePtr[i] && !PtrRtCheck->IsWritePtr[j])
2092         continue;
2093
2094       // Only need to check pointers between two different dependency sets.
2095       if (PtrRtCheck->DependencySetId[i] == PtrRtCheck->DependencySetId[j])
2096        continue;
2097       // Only need to check pointers in the same alias set.
2098       if (PtrRtCheck->AliasSetId[i] != PtrRtCheck->AliasSetId[j])
2099         continue;
2100
2101       unsigned AS0 = Starts[i]->getType()->getPointerAddressSpace();
2102       unsigned AS1 = Starts[j]->getType()->getPointerAddressSpace();
2103
2104       assert((AS0 == Ends[j]->getType()->getPointerAddressSpace()) &&
2105              (AS1 == Ends[i]->getType()->getPointerAddressSpace()) &&
2106              "Trying to bounds check pointers with different address spaces");
2107
2108       Type *PtrArithTy0 = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS0);
2109       Type *PtrArithTy1 = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS1);
2110
2111       Value *Start0 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[i], PtrArithTy0, "bc");
2112       Value *Start1 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[j], PtrArithTy1, "bc");
2113       Value *End0 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[i],   PtrArithTy1, "bc");
2114       Value *End1 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[j],   PtrArithTy0, "bc");
2115
2116       Value *Cmp0 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start0, End1, "bound0");
2117       FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Cmp0, Loc);
2118       Value *Cmp1 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start1, End0, "bound1");
2119       FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Cmp1, Loc);
2120       Value *IsConflict = ChkBuilder.CreateAnd(Cmp0, Cmp1, "found.conflict");
2121       FirstInst = getFirstInst(FirstInst, IsConflict, Loc);
2122       if (MemoryRuntimeCheck) {
2123         IsConflict = ChkBuilder.CreateOr(MemoryRuntimeCheck, IsConflict,
2124                                          "conflict.rdx");
2125         FirstInst = getFirstInst(FirstInst, IsConflict, Loc);
2126       }
2127       MemoryRuntimeCheck = IsConflict;
2128     }
2129   }
2130
2131   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
2132   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
2133   // the block.
2134   Instruction *Check = BinaryOperator::CreateAnd(MemoryRuntimeCheck,
2135                                                  ConstantInt::getTrue(Ctx));
2136   ChkBuilder.Insert(Check, "memcheck.conflict");
2137   FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Check, Loc);
2138   return std::make_pair(FirstInst, Check);
2139 }
2140
2141 void InnerLoopVectorizer::createEmptyLoop() {
2142   /*
2143    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
2144    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
2145    scalar remainder.
2146
2147        [ ] <-- Back-edge taken count overflow check.
2148     /   |
2149    /    v
2150   |    [ ] <-- vector loop bypass (may consist of multiple blocks).
2151   |  /  |
2152   | /   v
2153   ||   [ ]     <-- vector pre header.
2154   ||    |
2155   ||    v
2156   ||   [  ] \
2157   ||   [  ]_|   <-- vector loop.
2158   ||    |
2159   | \   v
2160   |   >[ ]   <--- middle-block.
2161   |  /  |
2162   | /   v
2163   -|- >[ ]     <--- new preheader.
2164    |    |
2165    |    v
2166    |   [ ] \
2167    |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
2168     \   |
2169      \  v
2170       >[ ]     <-- exit block.
2171    ...
2172    */
2173
2174   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
2175   BasicBlock *BypassBlock = OrigLoop->getLoopPreheader();
2176   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
2177   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
2178   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
2179
2180   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
2181   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
2182   // induction variables. In the code below we also support a case where we
2183   // don't have a single induction variable.
2184   OldInduction = Legal->getInduction();
2185   Type *IdxTy = Legal->getWidestInductionType();
2186
2187   // Find the loop boundaries.
2188   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(OrigLoop);
2189   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
2190
2191   // The exit count might have the type of i64 while the phi is i32. This can
2192   // happen if we have an induction variable that is sign extended before the
2193   // compare. The only way that we get a backedge taken count is that the
2194   // induction variable was signed and as such will not overflow. In such a case
2195   // truncation is legal.
2196   if (ExitCount->getType()->getPrimitiveSizeInBits() >
2197       IdxTy->getPrimitiveSizeInBits())
2198     ExitCount = SE->getTruncateOrNoop(ExitCount, IdxTy);
2199
2200   const SCEV *BackedgeTakeCount = SE->getNoopOrZeroExtend(ExitCount, IdxTy);
2201   // Get the total trip count from the count by adding 1.
2202   ExitCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakeCount,
2203                              SE->getConstant(BackedgeTakeCount->getType(), 1));
2204
2205   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
2206   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
2207   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
2208
2209   // We need to test whether the backedge-taken count is uint##_max. Adding one
2210   // to it will cause overflow and an incorrect loop trip count in the vector
2211   // body. In case of overflow we want to directly jump to the scalar remainder
2212   // loop.
2213   Value *BackedgeCount =
2214       Exp.expandCodeFor(BackedgeTakeCount, BackedgeTakeCount->getType(),
2215                         BypassBlock->getTerminator());
2216   if (BackedgeCount->getType()->isPointerTy())
2217     BackedgeCount = CastInst::CreatePointerCast(BackedgeCount, IdxTy,
2218                                                 "backedge.ptrcnt.to.int",
2219                                                 BypassBlock->getTerminator());
2220   Instruction *CheckBCOverflow =
2221       CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, BackedgeCount,
2222                       Constant::getAllOnesValue(BackedgeCount->getType()),
2223                       "backedge.overflow", BypassBlock->getTerminator());
2224
2225   // The loop index does not have to start at Zero. Find the original start
2226   // value from the induction PHI node. If we don't have an induction variable
2227   // then we know that it starts at zero.
2228   Builder.SetInsertPoint(BypassBlock->getTerminator());
2229   Value *StartIdx = ExtendedIdx = OldInduction ?
2230     Builder.CreateZExt(OldInduction->getIncomingValueForBlock(BypassBlock),
2231                        IdxTy):
2232     ConstantInt::get(IdxTy, 0);
2233
2234   // We need an instruction to anchor the overflow check on. StartIdx needs to
2235   // be defined before the overflow check branch. Because the scalar preheader
2236   // is going to merge the start index and so the overflow branch block needs to
2237   // contain a definition of the start index.
2238   Instruction *OverflowCheckAnchor = BinaryOperator::CreateAdd(
2239       StartIdx, ConstantInt::get(IdxTy, 0), "overflow.check.anchor",
2240       BypassBlock->getTerminator());
2241
2242   // Count holds the overall loop count (N).
2243   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
2244                                    BypassBlock->getTerminator());
2245
2246   LoopBypassBlocks.push_back(BypassBlock);
2247
2248   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
2249   BasicBlock *VectorPH =
2250   BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
2251   BasicBlock *VecBody =
2252   VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
2253   BasicBlock *MiddleBlock =
2254   VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
2255   BasicBlock *ScalarPH =
2256   MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
2257
2258   // Create and register the new vector loop.
2259   Loop* Lp = new Loop();
2260   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
2261
2262   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks
2263   // before calling any utilities such as SCEV that require valid LoopInfo.
2264   if (ParentLoop) {
2265     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
2266     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, LI->getBase());
2267     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, LI->getBase());
2268     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, LI->getBase());
2269   } else {
2270     LI->addTopLevelLoop(Lp);
2271   }
2272   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, LI->getBase());
2273
2274   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
2275   // inside the loop.
2276   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstNonPHI());
2277
2278   // Generate the induction variable.
2279   setDebugLocFromInst(Builder, getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
2280   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
2281   // The loop step is equal to the vectorization factor (num of SIMD elements)
2282   // times the unroll factor (num of SIMD instructions).
2283   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF * UF);
2284
2285   // This is the IR builder that we use to add all of the logic for bypassing
2286   // the new vector loop.
2287   IRBuilder<> BypassBuilder(BypassBlock->getTerminator());
2288   setDebugLocFromInst(BypassBuilder,
2289                       getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
2290
2291   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
2292   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
2293   if (Count->getType() != IdxTy) {
2294     // The exit count can be of pointer type. Convert it to the correct
2295     // integer type.
2296     if (ExitCount->getType()->isPointerTy())
2297       Count = BypassBuilder.CreatePointerCast(Count, IdxTy, "ptrcnt.to.int");
2298     else
2299       Count = BypassBuilder.CreateZExtOrTrunc(Count, IdxTy, "cnt.cast");
2300   }
2301
2302   // Add the start index to the loop count to get the new end index.
2303   Value *IdxEnd = BypassBuilder.CreateAdd(Count, StartIdx, "end.idx");
2304
2305   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
2306   // the part that the vectorized body will execute.
2307   Value *R = BypassBuilder.CreateURem(Count, Step, "n.mod.vf");
2308   Value *CountRoundDown = BypassBuilder.CreateSub(Count, R, "n.vec");
2309   Value *IdxEndRoundDown = BypassBuilder.CreateAdd(CountRoundDown, StartIdx,
2310                                                      "end.idx.rnd.down");
2311
2312   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
2313   // jump to the scalar loop.
2314   Value *Cmp =
2315       BypassBuilder.CreateICmpEQ(IdxEndRoundDown, StartIdx, "cmp.zero");
2316
2317   BasicBlock *LastBypassBlock = BypassBlock;
2318
2319   // Generate code to check that the loops trip count that we computed by adding
2320   // one to the backedge-taken count will not overflow.
2321   {
2322     auto PastOverflowCheck =
2323         std::next(BasicBlock::iterator(OverflowCheckAnchor));
2324     BasicBlock *CheckBlock =
2325       LastBypassBlock->splitBasicBlock(PastOverflowCheck, "overflow.checked");
2326     if (ParentLoop)
2327       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
2328     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2329     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2330     BranchInst::Create(ScalarPH, CheckBlock, CheckBCOverflow, OldTerm);
2331     OldTerm->eraseFromParent();
2332     LastBypassBlock = CheckBlock;
2333   }
2334
2335   // Generate the code to check that the strides we assumed to be one are really
2336   // one. We want the new basic block to start at the first instruction in a
2337   // sequence of instructions that form a check.
2338   Instruction *StrideCheck;
2339   Instruction *FirstCheckInst;
2340   std::tie(FirstCheckInst, StrideCheck) =
2341       addStrideCheck(LastBypassBlock->getTerminator());
2342   if (StrideCheck) {
2343     // Create a new block containing the stride check.
2344     BasicBlock *CheckBlock =
2345         LastBypassBlock->splitBasicBlock(FirstCheckInst, "vector.stridecheck");
2346     if (ParentLoop)
2347       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
2348     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2349
2350     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
2351     // for the "few elements case".
2352     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2353     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
2354     OldTerm->eraseFromParent();
2355
2356     Cmp = StrideCheck;
2357     LastBypassBlock = CheckBlock;
2358   }
2359
2360   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
2361   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
2362   // faster.
2363   Instruction *MemRuntimeCheck;
2364   std::tie(FirstCheckInst, MemRuntimeCheck) =
2365       addRuntimeCheck(LastBypassBlock->getTerminator());
2366   if (MemRuntimeCheck) {
2367     // Create a new block containing the memory check.
2368     BasicBlock *CheckBlock =
2369         LastBypassBlock->splitBasicBlock(MemRuntimeCheck, "vector.memcheck");
2370     if (ParentLoop)
2371       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
2372     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2373
2374     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
2375     // for the "few elements case".
2376     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2377     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
2378     OldTerm->eraseFromParent();
2379
2380     Cmp = MemRuntimeCheck;
2381     LastBypassBlock = CheckBlock;
2382   }
2383
2384   LastBypassBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
2385   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp,
2386                      LastBypassBlock);
2387
2388   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
2389   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
2390   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
2391   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
2392   // iteration in the vectorized loop.
2393   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original
2394   // start value.
2395
2396   // This variable saves the new starting index for the scalar loop.
2397   PHINode *ResumeIndex = nullptr;
2398   LoopVectorizationLegality::InductionList::iterator I, E;
2399   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
2400   // Set builder to point to last bypass block.
2401   BypassBuilder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
2402   for (I = List->begin(), E = List->end(); I != E; ++I) {
2403     PHINode *OrigPhi = I->first;
2404     LoopVectorizationLegality::InductionInfo II = I->second;
2405
2406     Type *ResumeValTy = (OrigPhi == OldInduction) ? IdxTy : OrigPhi->getType();
2407     PHINode *ResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 2, "resume.val",
2408                                          MiddleBlock->getTerminator());
2409     // We might have extended the type of the induction variable but we need a
2410     // truncated version for the scalar loop.
2411     PHINode *TruncResumeVal = (OrigPhi == OldInduction) ?
2412       PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "trunc.resume.val",
2413                       MiddleBlock->getTerminator()) : nullptr;
2414
2415     // Create phi nodes to merge from the  backedge-taken check block.
2416     PHINode *BCResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 3, "bc.resume.val",
2417                                            ScalarPH->getTerminator());
2418     BCResumeVal->addIncoming(ResumeVal, MiddleBlock);
2419
2420     PHINode *BCTruncResumeVal = nullptr;
2421     if (OrigPhi == OldInduction) {
2422       BCTruncResumeVal =
2423           PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "bc.trunc.resume.val",
2424                           ScalarPH->getTerminator());
2425       BCTruncResumeVal->addIncoming(TruncResumeVal, MiddleBlock);
2426     }
2427
2428     Value *EndValue = nullptr;
2429     switch (II.IK) {
2430     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
2431       llvm_unreachable("Unknown induction");
2432     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
2433       // Handle the integer induction counter.
2434       assert(OrigPhi->getType()->isIntegerTy() && "Invalid type");
2435
2436       // We have the canonical induction variable.
2437       if (OrigPhi == OldInduction) {
2438         // Create a truncated version of the resume value for the scalar loop,
2439         // we might have promoted the type to a larger width.
2440         EndValue =
2441           BypassBuilder.CreateTrunc(IdxEndRoundDown, OrigPhi->getType());
2442         // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
2443         // or the value at the end of the vectorized loop.
2444         for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2445           TruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
2446         TruncResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
2447
2448         BCTruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2449
2450         // We know what the end value is.
2451         EndValue = IdxEndRoundDown;
2452         // We also know which PHI node holds it.
2453         ResumeIndex = ResumeVal;
2454         break;
2455       }
2456
2457       // Not the canonical induction variable - add the vector loop count to the
2458       // start value.
2459       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
2460                                                    II.StartValue->getType(),
2461                                                    "cast.crd");
2462       EndValue = BypassBuilder.CreateAdd(CRD, II.StartValue , "ind.end");
2463       break;
2464     }
2465     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction: {
2466       // Convert the CountRoundDown variable to the PHI size.
2467       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
2468                                                    II.StartValue->getType(),
2469                                                    "cast.crd");
2470       // Handle reverse integer induction counter.
2471       EndValue = BypassBuilder.CreateSub(II.StartValue, CRD, "rev.ind.end");
2472       break;
2473     }
2474     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction: {
2475       // For pointer induction variables, calculate the offset using
2476       // the end index.
2477       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, CountRoundDown,
2478                                          "ptr.ind.end");
2479       break;
2480     }
2481     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction: {
2482       // The value at the end of the loop for the reverse pointer is calculated
2483       // by creating a GEP with a negative index starting from the start value.
2484       Value *Zero = ConstantInt::get(CountRoundDown->getType(), 0);
2485       Value *NegIdx = BypassBuilder.CreateSub(Zero, CountRoundDown,
2486                                               "rev.ind.end");
2487       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, NegIdx,
2488                                          "rev.ptr.ind.end");
2489       break;
2490     }
2491     }// end of case
2492
2493     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
2494     // or the value at the end of the vectorized loop.
2495     for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I) {
2496       if (OrigPhi == OldInduction)
2497         ResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
2498       else
2499         ResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
2500     }
2501     ResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
2502
2503     // Fix the scalar body counter (PHI node).
2504     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
2505
2506     // The old induction's phi node in the scalar body needs the truncated
2507     // value.
2508     if (OrigPhi == OldInduction) {
2509       BCResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[0]);
2510       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, BCTruncResumeVal);
2511     } else {
2512       BCResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2513       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, BCResumeVal);
2514     }
2515   }
2516
2517   // If we are generating a new induction variable then we also need to
2518   // generate the code that calculates the exit value. This value is not
2519   // simply the end of the counter because we may skip the vectorized body
2520   // in case of a runtime check.
2521   if (!OldInduction){
2522     assert(!ResumeIndex && "Unexpected resume value found");
2523     ResumeIndex = PHINode::Create(IdxTy, 2, "new.indc.resume.val",
2524                                   MiddleBlock->getTerminator());
2525     for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2526       ResumeIndex->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
2527     ResumeIndex->addIncoming(IdxEndRoundDown, VecBody);
2528   }
2529
2530   // Make sure that we found the index where scalar loop needs to continue.
2531   assert(ResumeIndex && ResumeIndex->getType()->isIntegerTy() &&
2532          "Invalid resume Index");
2533
2534   // Add a check in the middle block to see if we have completed
2535   // all of the iterations in the first vector loop.
2536   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
2537   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, IdxEnd,
2538                                 ResumeIndex, "cmp.n",
2539                                 MiddleBlock->getTerminator());
2540
2541   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
2542   // Remove the old terminator.
2543   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
2544
2545   // Create i+1 and fill the PHINode.
2546   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
2547   Induction->addIncoming(StartIdx, VectorPH);
2548   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
2549   // Create the compare.
2550   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, IdxEndRoundDown);
2551   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
2552
2553   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
2554   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
2555
2556   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
2557   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
2558
2559   // Save the state.
2560   LoopVectorPreHeader = VectorPH;
2561   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
2562   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
2563   LoopExitBlock = ExitBlock;
2564   LoopVectorBody.push_back(VecBody);
2565   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
2566
2567   LoopVectorizeHints Hints(Lp, true);
2568   Hints.setAlreadyVectorized();
2569 }
2570
2571 /// This function returns the identity element (or neutral element) for
2572 /// the operation K.
2573 Constant*
2574 LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp) {
2575   switch (K) {
2576   case RK_IntegerXor:
2577   case RK_IntegerAdd:
2578   case RK_IntegerOr:
2579     // Adding, Xoring, Oring zero to a number does not change it.
2580     return ConstantInt::get(Tp, 0);
2581   case RK_IntegerMult:
2582     // Multiplying a number by 1 does not change it.
2583     return ConstantInt::get(Tp, 1);
2584   case RK_IntegerAnd:
2585     // AND-ing a number with an all-1 value does not change it.
2586     return ConstantInt::get(Tp, -1, true);
2587   case  RK_FloatMult:
2588     // Multiplying a number by 1 does not change it.
2589     return ConstantFP::get(Tp, 1.0L);
2590   case  RK_FloatAdd:
2591     // Adding zero to a number does not change it.
2592     return ConstantFP::get(Tp, 0.0L);
2593   default:
2594     llvm_unreachable("Unknown reduction kind");
2595   }
2596 }
2597
2598 /// This function translates the reduction kind to an LLVM binary operator.
2599 static unsigned
2600 getReductionBinOp(LoopVectorizationLegality::ReductionKind Kind) {
2601   switch (Kind) {
2602     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAdd:
2603       return Instruction::Add;
2604     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMult:
2605       return Instruction::Mul;
2606     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerOr:
2607       return Instruction::Or;
2608     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAnd:
2609       return Instruction::And;
2610     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerXor:
2611       return Instruction::Xor;
2612     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMult:
2613       return Instruction::FMul;
2614     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatAdd:
2615       return Instruction::FAdd;
2616     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax:
2617       return Instruction::ICmp;
2618     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax:
2619       return Instruction::FCmp;
2620     default:
2621       llvm_unreachable("Unknown reduction operation");
2622   }
2623 }
2624
2625 Value *createMinMaxOp(IRBuilder<> &Builder,
2626                       LoopVectorizationLegality::MinMaxReductionKind RK,
2627                       Value *Left,
2628                       Value *Right) {
2629   CmpInst::Predicate P = CmpInst::ICMP_NE;
2630   switch (RK) {
2631   default:
2632     llvm_unreachable("Unknown min/max reduction kind");
2633   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMin:
2634     P = CmpInst::ICMP_ULT;
2635     break;
2636   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMax:
2637     P = CmpInst::ICMP_UGT;
2638     break;
2639   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMin:
2640     P = CmpInst::ICMP_SLT;
2641     break;
2642   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMax:
2643     P = CmpInst::ICMP_SGT;
2644     break;
2645   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin:
2646     P = CmpInst::FCMP_OLT;
2647     break;
2648   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax:
2649     P = CmpInst::FCMP_OGT;
2650     break;
2651   }
2652
2653   Value *Cmp;
2654   if (RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin ||
2655       RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax)
2656     Cmp = Builder.CreateFCmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
2657   else
2658     Cmp = Builder.CreateICmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
2659
2660   Value *Select = Builder.CreateSelect(Cmp, Left, Right, "rdx.minmax.select");
2661   return Select;
2662 }
2663
2664 namespace {
2665 struct CSEDenseMapInfo {
2666   static bool canHandle(Instruction *I) {
2667     return isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
2668            isa<ShuffleVectorInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I);
2669   }
2670   static inline Instruction *getEmptyKey() {
2671     return DenseMapInfo<Instruction *>::getEmptyKey();
2672   }
2673   static inline Instruction *getTombstoneKey() {
2674     return DenseMapInfo<Instruction *>::getTombstoneKey();
2675   }
2676   static unsigned getHashValue(Instruction *I) {
2677     assert(canHandle(I) && "Unknown instruction!");
2678     return hash_combine(I->getOpcode(), hash_combine_range(I->value_op_begin(),
2679                                                            I->value_op_end()));
2680   }
2681   static bool isEqual(Instruction *LHS, Instruction *RHS) {
2682     if (LHS == getEmptyKey() || RHS == getEmptyKey() ||
2683         LHS == getTombstoneKey() || RHS == getTombstoneKey())
2684       return LHS == RHS;
2685     return LHS->isIdenticalTo(RHS);
2686   }
2687 };
2688 }
2689
2690 /// \brief Check whether this block is a predicated block.
2691 /// Due to if predication of stores we might create a sequence of "if(pred) a[i]
2692 /// = ...;  " blocks. We start with one vectorized basic block. For every
2693 /// conditional block we split this vectorized block. Therefore, every second
2694 /// block will be a predicated one.
2695 static bool isPredicatedBlock(unsigned BlockNum) {
2696   return BlockNum % 2;
2697 }
2698
2699 ///\brief Perform cse of induction variable instructions.
2700 static void cse(SmallVector<BasicBlock *, 4> &BBs) {
2701   // Perform simple cse.
2702   SmallDenseMap<Instruction *, Instruction *, 4, CSEDenseMapInfo> CSEMap;
2703   for (unsigned i = 0, e = BBs.size(); i != e; ++i) {
2704     BasicBlock *BB = BBs[i];
2705     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;) {
2706       Instruction *In = I++;
2707
2708       if (!CSEDenseMapInfo::canHandle(In))
2709         continue;
2710
2711       // Check if we can replace this instruction with any of the
2712       // visited instructions.
2713       if (Instruction *V = CSEMap.lookup(In)) {
2714         In->replaceAllUsesWith(V);
2715         In->eraseFromParent();
2716         continue;
2717       }
2718       // Ignore instructions in conditional blocks. We create "if (pred) a[i] =
2719       // ...;" blocks for predicated stores. Every second block is a predicated
2720       // block.
2721       if (isPredicatedBlock(i))
2722         continue;
2723
2724       CSEMap[In] = In;
2725     }
2726   }
2727 }
2728
2729 /// \brief Adds a 'fast' flag to floating point operations.
2730 static Value *addFastMathFlag(Value *V) {
2731   if (isa<FPMathOperator>(V)){
2732     FastMathFlags Flags;
2733     Flags.setUnsafeAlgebra();
2734     cast<Instruction>(V)->setFastMathFlags(Flags);
2735   }
2736   return V;
2737 }
2738
2739 void InnerLoopVectorizer::vectorizeLoop() {
2740   //===------------------------------------------------===//
2741   //
2742   // Notice: any optimization or new instruction that go
2743   // into the code below should be also be implemented in
2744   // the cost-model.
2745   //
2746   //===------------------------------------------------===//
2747   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
2748
2749   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
2750   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
2751   // stages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
2752   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
2753   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
2754   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
2755   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
2756   // construct the PHI.
2757   PhiVector RdxPHIsToFix;
2758
2759   // Scan the loop in a topological order to ensure that defs are vectorized
2760   // before users.
2761   LoopBlocksDFS DFS(OrigLoop);
2762   DFS.perform(LI);
2763
2764   // Vectorize all of the blocks in the original loop.
2765   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
2766        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb)
2767     vectorizeBlockInLoop(*bb, &RdxPHIsToFix);
2768
2769   // At this point every instruction in the original loop is widened to
2770   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
2771   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
2772   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
2773   // that we need to fix are reduction variables.
2774
2775   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
2776   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
2777   // after the loop is finished.
2778   for (PhiVector::iterator it = RdxPHIsToFix.begin(), e = RdxPHIsToFix.end();
2779        it != e; ++it) {
2780     PHINode *RdxPhi = *it;
2781     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
2782
2783     // Find the reduction variable descriptor.
2784     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
2785            "Unable to find the reduction variable");
2786     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
2787     (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
2788
2789     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.StartValue);
2790
2791     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
2792     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and override
2793     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
2794     // to do it in the vector-loop preheader.
2795     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks[1]->getTerminator());
2796
2797     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
2798     VectorParts &VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2799     Type *VecTy = VectorExit[0]->getType();
2800
2801     // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
2802     // one for multiplication, -1 for And.
2803     Value *Identity;
2804     Value *VectorStart;
2805     if (RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax ||
2806         RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax) {
2807       // MinMax reduction have the start value as their identify.
2808       if (VF == 1) {
2809         VectorStart = Identity = RdxDesc.StartValue;
2810       } else {
2811         VectorStart = Identity = Builder.CreateVectorSplat(VF,
2812                                                            RdxDesc.StartValue,
2813                                                            "minmax.ident");
2814       }
2815     } else {
2816       // Handle other reduction kinds:
2817       Constant *Iden =
2818       LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(RdxDesc.Kind,
2819                                                       VecTy->getScalarType());
2820       if (VF == 1) {
2821         Identity = Iden;
2822         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2823         // incoming scalar reduction.
2824         VectorStart = RdxDesc.StartValue;
2825       } else {
2826         Identity = ConstantVector::getSplat(VF, Iden);
2827
2828         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2829         // incoming scalar reduction.
2830         VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
2831                                                   RdxDesc.StartValue, Zero);
2832       }
2833     }
2834
2835     // Fix the vector-loop phi.
2836
2837     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
2838     // any loop invariant values.
2839     VectorParts &VecRdxPhi = WidenMap.get(RdxPhi);
2840     BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
2841     Value *LoopVal = RdxPhi->getIncomingValueForBlock(Latch);
2842     VectorParts &Val = getVectorValue(LoopVal);
2843     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2844       // Make sure to add the reduction stat value only to the
2845       // first unroll part.
2846       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2847       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(StartVal,
2848                                                   LoopVectorPreHeader);
2849       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(Val[part],
2850                                                   LoopVectorBody.back());
2851     }
2852
2853     // Before each round, move the insertion point right between
2854     // the PHIs and the values we are going to write.
2855     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
2856     // instructions.
2857     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
2858
2859     VectorParts RdxParts;
2860     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.LoopExitInstr);
2861     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2862       // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
2863       // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
2864       VectorParts &RdxExitVal = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2865       PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
2866       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2867       for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2868         NewPhi->addIncoming(StartVal, LoopBypassBlocks[I]);
2869       NewPhi->addIncoming(RdxExitVal[part],
2870                           LoopVectorBody.back());
2871       RdxParts.push_back(NewPhi);
2872     }
2873
2874     // Reduce all of the unrolled parts into a single vector.
2875     Value *ReducedPartRdx = RdxParts[0];
2876     unsigned Op = getReductionBinOp(RdxDesc.Kind);
2877     setDebugLocFromInst(Builder, ReducedPartRdx);
2878     for (unsigned part = 1; part < UF; ++part) {
2879       if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2880         // Floating point operations had to be 'fast' to enable the reduction.
2881         ReducedPartRdx = addFastMathFlag(
2882             Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op, RdxParts[part],
2883                                 ReducedPartRdx, "bin.rdx"));
2884       else
2885         ReducedPartRdx = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind,
2886                                         ReducedPartRdx, RdxParts[part]);
2887     }
2888
2889     if (VF > 1) {
2890       // VF is a power of 2 so we can emit the reduction using log2(VF) shuffles
2891       // and vector ops, reducing the set of values being computed by half each
2892       // round.
2893       assert(isPowerOf2_32(VF) &&
2894              "Reduction emission only supported for pow2 vectors!");
2895       Value *TmpVec = ReducedPartRdx;
2896       SmallVector<Constant*, 32> ShuffleMask(VF, nullptr);
2897       for (unsigned i = VF; i != 1; i >>= 1) {
2898         // Move the upper half of the vector to the lower half.
2899         for (unsigned j = 0; j != i/2; ++j)
2900           ShuffleMask[j] = Builder.getInt32(i/2 + j);
2901
2902         // Fill the rest of the mask with undef.
2903         std::fill(&ShuffleMask[i/2], ShuffleMask.end(),
2904                   UndefValue::get(Builder.getInt32Ty()));
2905
2906         Value *Shuf =
2907         Builder.CreateShuffleVector(TmpVec,
2908                                     UndefValue::get(TmpVec->getType()),
2909                                     ConstantVector::get(ShuffleMask),
2910                                     "rdx.shuf");
2911
2912         if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2913           // Floating point operations had to be 'fast' to enable the reduction.
2914           TmpVec = addFastMathFlag(Builder.CreateBinOp(
2915               (Instruction::BinaryOps)Op, TmpVec, Shuf, "bin.rdx"));
2916         else
2917           TmpVec = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind, TmpVec, Shuf);
2918       }
2919
2920       // The result is in the first element of the vector.
2921       ReducedPartRdx = Builder.CreateExtractElement(TmpVec,
2922                                                     Builder.getInt32(0));
2923     }
2924
2925     // Create a phi node that merges control-flow from the backedge-taken check
2926     // block and the middle block.
2927     PHINode *BCBlockPhi = PHINode::Create(RdxPhi->getType(), 2, "bc.merge.rdx",
2928                                           LoopScalarPreHeader->getTerminator());
2929     BCBlockPhi->addIncoming(RdxDesc.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2930     BCBlockPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2931
2932     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
2933     // inside and outside of the scalar remainder loop.
2934     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
2935     // PHI nodes in the exit blocks.
2936     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2937          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2938       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2939       if (!LCSSAPhi) break;
2940
2941       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
2942       // we already fixed them.
2943       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
2944
2945       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
2946       // incoming bypass edge.
2947       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
2948         // Add an edge coming from the bypass.
2949         LCSSAPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2950         break;
2951       }
2952     }// end of the LCSSA phi scan.
2953
2954     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
2955     // from the vector body and from the backedge value.
2956     int IncomingEdgeBlockIdx =
2957     (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(OrigLoop->getLoopLatch());
2958     assert(IncomingEdgeBlockIdx >= 0 && "Invalid block index");
2959     // Pick the other block.
2960     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1);
2961     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, BCBlockPhi);
2962     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
2963   }// end of for each redux variable.
2964
2965   fixLCSSAPHIs();
2966
2967   // Remove redundant induction instructions.
2968   cse(LoopVectorBody);
2969 }
2970
2971 void InnerLoopVectorizer::fixLCSSAPHIs() {
2972   for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2973        LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2974     PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2975     if (!LCSSAPhi) break;
2976     if (LCSSAPhi->getNumIncomingValues() == 1)
2977       LCSSAPhi->addIncoming(UndefValue::get(LCSSAPhi->getType()),
2978                             LoopMiddleBlock);
2979   }
2980 }
2981
2982 InnerLoopVectorizer::VectorParts
2983 InnerLoopVectorizer::createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst) {
2984   assert(std::find(pred_begin(Dst), pred_end(Dst), Src) != pred_end(Dst) &&
2985          "Invalid edge");
2986
2987   // Look for cached value.
2988   std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*> Edge(Src, Dst);
2989   EdgeMaskCache::iterator ECEntryIt = MaskCache.find(Edge);
2990   if (ECEntryIt != MaskCache.end())
2991     return ECEntryIt->second;
2992
2993   VectorParts SrcMask = createBlockInMask(Src);
2994
2995   // The terminator has to be a branch inst!
2996   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Src->getTerminator());
2997   assert(BI && "Unexpected terminator found");
2998
2999   if (BI->isConditional()) {
3000     VectorParts EdgeMask = getVectorValue(BI->getCondition());
3001
3002     if (BI->getSuccessor(0) != Dst)
3003       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3004         EdgeMask[part] = Builder.CreateNot(EdgeMask[part]);
3005
3006     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3007       EdgeMask[part] = Builder.CreateAnd(EdgeMask[part], SrcMask[part]);
3008
3009     MaskCache[Edge] = EdgeMask;
3010     return EdgeMask;
3011   }
3012
3013   MaskCache[Edge] = SrcMask;
3014   return SrcMask;
3015 }
3016
3017 InnerLoopVectorizer::VectorParts
3018 InnerLoopVectorizer::createBlockInMask(BasicBlock *BB) {
3019   assert(OrigLoop->contains(BB) && "Block is not a part of a loop");
3020
3021   // Loop incoming mask is all-one.
3022   if (OrigLoop->getHeader() == BB) {
3023     Value *C = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 1);
3024     return getVectorValue(C);
3025   }
3026
3027   // This is the block mask. We OR all incoming edges, and with zero.
3028   Value *Zero = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 0);
3029   VectorParts BlockMask = getVectorValue(Zero);
3030
3031   // For each pred:
3032   for (pred_iterator it = pred_begin(BB), e = pred_end(BB); it != e; ++it) {
3033     VectorParts EM = createEdgeMask(*it, BB);
3034     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3035       BlockMask[part] = Builder.CreateOr(BlockMask[part], EM[part]);
3036   }
3037
3038   return BlockMask;
3039 }
3040
3041 void InnerLoopVectorizer::widenPHIInstruction(Instruction *PN,
3042                                               InnerLoopVectorizer::VectorParts &Entry,
3043                                               unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV) {
3044   PHINode* P = cast<PHINode>(PN);
3045   // Handle reduction variables:
3046   if (Legal->getReductionVars()->count(P)) {
3047     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
3048       // This is phase one of vectorizing PHIs.
3049       Type *VecTy = (VF == 1) ? PN->getType() :
3050       VectorType::get(PN->getType(), VF);
3051       Entry[part] = PHINode::Create(VecTy, 2, "vec.phi",
3052                                     LoopVectorBody.back()-> getFirstInsertionPt());
3053     }
3054     PV->push_back(P);
3055     return;
3056   }
3057
3058   setDebugLocFromInst(Builder, P);
3059   // Check for PHI nodes that are lowered to vector selects.
3060   if (P->getParent() != OrigLoop->getHeader()) {
3061     // We know that all PHIs in non-header blocks are converted into
3062     // selects, so we don't have to worry about the insertion order and we
3063     // can just use the builder.
3064     // At this point we generate the predication tree. There may be
3065     // duplications since this is a simple recursive scan, but future
3066     // optimizations will clean it up.
3067
3068     unsigned NumIncoming = P->getNumIncomingValues();
3069
3070     // Generate a sequence of selects of the form:
3071     // SELECT(Mask3, In3,
3072     //      SELECT(Mask2, In2,
3073     //                   ( ...)))
3074     for (unsigned In = 0; In < NumIncoming; In++) {
3075       VectorParts Cond = createEdgeMask(P->getIncomingBlock(In),
3076                                         P->getParent());
3077       VectorParts &In0 = getVectorValue(P->getIncomingValue(In));
3078
3079       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
3080         // We might have single edge PHIs (blocks) - use an identity
3081         // 'select' for the first PHI operand.
3082         if (In == 0)
3083           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
3084                                              In0[part]);
3085         else
3086           // Select between the current value and the previous incoming edge
3087           // based on the incoming mask.
3088           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
3089                                              Entry[part], "predphi");
3090       }
3091     }
3092     return;
3093   }
3094
3095   // This PHINode must be an induction variable.
3096   // Make sure that we know about it.
3097   assert(Legal->getInductionVars()->count(P) &&
3098          "Not an induction variable");
3099
3100   LoopVectorizationLegality::InductionInfo II =
3101   Legal->getInductionVars()->lookup(P);
3102
3103   switch (II.IK) {
3104     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
3105       llvm_unreachable("Unknown induction");
3106     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
3107       assert(P->getType() == II.StartValue->getType() && "Types must match");
3108       Type *PhiTy = P->getType();
3109       Value *Broadcasted;
3110       if (P == OldInduction) {
3111         // Handle the canonical induction variable. We might have had to
3112         // extend the type.
3113         Broadcasted = Builder.CreateTrunc(Induction, PhiTy);
3114       } else {
3115         // Handle other induction variables that are now based on the
3116         // canonical one.
3117         Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, ExtendedIdx,
3118                                                  "normalized.idx");
3119         NormalizedIdx = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, PhiTy);
3120         Broadcasted = Builder.CreateAdd(II.StartValue, NormalizedIdx,
3121                                         "offset.idx");
3122       }
3123       Broadcasted = getBroadcastInstrs(Broadcasted);
3124       // After broadcasting the induction variable we need to make the vector
3125       // consecutive by adding 0, 1, 2, etc.
3126       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3127         Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * part, false);
3128       return;
3129     }
3130     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction:
3131     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction:
3132     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction:
3133       // Handle reverse integer and pointer inductions.
3134       Value *StartIdx = ExtendedIdx;
3135       // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
3136       Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, StartIdx,
3137                                                "normalized.idx");
3138
3139       // Handle the reverse integer induction variable case.
3140       if (LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction == II.IK) {
3141         IntegerType *DstTy = cast<IntegerType>(II.StartValue->getType());
3142         Value *CNI = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, DstTy,
3143                                                "resize.norm.idx");
3144         Value *ReverseInd  = Builder.CreateSub(II.StartValue, CNI,
3145                                                "reverse.idx");
3146
3147         // This is a new value so do not hoist it out.
3148         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ReverseInd);
3149         // After broadcasting the induction variable we need to make the
3150         // vector consecutive by adding  ... -3, -2, -1, 0.
3151         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3152           Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, -(int)VF * part,
3153                                              true);
3154         return;
3155       }
3156
3157       // Handle the pointer induction variable case.
3158       assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
3159
3160       // Is this a reverse induction ptr or a consecutive induction ptr.
3161       bool Reverse = (LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction ==
3162                       II.IK);
3163
3164       // This is the vector of results. Notice that we don't generate
3165       // vector geps because scalar geps result in better code.
3166       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
3167         if (VF == 1) {
3168           int EltIndex = (part) * (Reverse ? -1 : 1);
3169           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
3170           Value *GlobalIdx;
3171           if (Reverse)
3172             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
3173           else
3174             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
3175
3176           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
3177                                              "next.gep");
3178           Entry[part] = SclrGep;
3179           continue;
3180         }
3181
3182         Value *VecVal = UndefValue::get(VectorType::get(P->getType(), VF));
3183         for (unsigned int i = 0; i < VF; ++i) {
3184           int EltIndex = (i + part * VF) * (Reverse ? -1 : 1);
3185           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
3186           Value *GlobalIdx;
3187           if (!Reverse)
3188             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
3189           else
3190             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
3191
3192           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
3193                                              "next.gep");
3194           VecVal = Builder.CreateInsertElement(VecVal, SclrGep,
3195                                                Builder.getInt32(i),
3196                                                "insert.gep");
3197         }
3198         Entry[part] = VecVal;
3199       }
3200       return;
3201   }
3202 }
3203
3204 void InnerLoopVectorizer::vectorizeBlockInLoop(BasicBlock *BB, PhiVector *PV) {
3205   // For each instruction in the old loop.
3206   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
3207     VectorParts &Entry = WidenMap.get(it);
3208     switch (it->getOpcode()) {
3209     case Instruction::Br:
3210       // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
3211       // loop control flow instructions.
3212       continue;
3213     case Instruction::PHI:{
3214       // Vectorize PHINodes.
3215       widenPHIInstruction(it, Entry, UF, VF, PV);
3216       continue;
3217     }// End of PHI.
3218
3219     case Instruction::Add:
3220     case Instruction::FAdd:
3221     case Instruction::Sub:
3222     case Instruction::FSub:
3223     case Instruction::Mul:
3224     case Instruction::FMul:
3225     case Instruction::UDiv:
3226     case Instruction::SDiv:
3227     case Instruction::FDiv:
3228     case Instruction::URem:
3229     case Instruction::SRem:
3230     case Instruction::FRem:
3231     case Instruction::Shl:
3232     case Instruction::LShr:
3233     case Instruction::AShr:
3234     case Instruction::And:
3235     case Instruction::Or:
3236     case Instruction::Xor: {
3237       // Just widen binops.
3238       BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(it);
3239       setDebugLocFromInst(Builder, BinOp);
3240       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3241       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
3242
3243       // Use this vector value for all users of the original instruction.
3244       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3245         Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A[Part], B[Part]);
3246
3247         if (BinaryOperator *VecOp = dyn_cast<BinaryOperator>(V))
3248           VecOp->copyIRFlags(BinOp);
3249
3250         Entry[Part] = V;
3251       }
3252
3253       propagateMetadata(Entry, it);
3254       break;
3255     }
3256     case Instruction::Select: {
3257       // Widen selects.
3258       // If the selector is loop invariant we can create a select
3259       // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
3260       bool InvariantCond = SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(it->getOperand(0)),
3261                                                OrigLoop);
3262       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3263
3264       // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
3265       // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
3266       // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
3267       // Instcombine will make this a no-op.
3268       VectorParts &Cond = getVectorValue(it->getOperand(0));
3269       VectorParts &Op0  = getVectorValue(it->getOperand(1));
3270       VectorParts &Op1  = getVectorValue(it->getOperand(2));
3271
3272       Value *ScalarCond = (VF == 1) ? Cond[0] :
3273         Builder.CreateExtractElement(Cond[0], Builder.getInt32(0));
3274
3275       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3276         Entry[Part] = Builder.CreateSelect(
3277           InvariantCond ? ScalarCond : Cond[Part],
3278           Op0[Part],
3279           Op1[Part]);
3280       }
3281
3282       propagateMetadata(Entry, it);
3283       break;
3284     }
3285
3286     case Instruction::ICmp:
3287     case Instruction::FCmp: {
3288       // Widen compares. Generate vector compares.
3289       bool FCmp = (it->getOpcode() == Instruction::FCmp);
3290       CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(it);
3291       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3292       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3293       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
3294       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3295         Value *C = nullptr;
3296         if (FCmp)
3297           C = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
3298         else
3299           C = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
3300         Entry[Part] = C;
3301       }
3302
3303       propagateMetadata(Entry, it);
3304       break;
3305     }
3306
3307     case Instruction::Store:
3308     case Instruction::Load:
3309       vectorizeMemoryInstruction(it);
3310         break;
3311     case Instruction::ZExt:
3312     case Instruction::SExt:
3313     case Instruction::FPToUI:
3314     case Instruction::FPToSI:
3315     case Instruction::FPExt:
3316     case Instruction::PtrToInt:
3317     case Instruction::IntToPtr:
3318     case Instruction::SIToFP:
3319     case Instruction::UIToFP:
3320     case Instruction::Trunc:
3321     case Instruction::FPTrunc:
3322     case Instruction::BitCast: {
3323       CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(it);
3324       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3325       /// Optimize the special case where the source is the induction
3326       /// variable. Notice that we can only optimize the 'trunc' case
3327       /// because: a. FP conversions lose precision, b. sext/zext may wrap,
3328       /// c. other casts depend on pointer size.
3329       if (CI->getOperand(0) == OldInduction &&
3330           it->getOpcode() == Instruction::Trunc) {
3331         Value *ScalarCast = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), Induction,
3332                                                CI->getType());
3333         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ScalarCast);
3334         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
3335           Entry[Part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * Part, false);
3336         propagateMetadata(Entry, it);
3337         break;
3338       }
3339       /// Vectorize casts.
3340       Type *DestTy = (VF == 1) ? CI->getType() :
3341                                  VectorType::get(CI->getType(), VF);
3342
3343       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3344       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
3345         Entry[Part] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A[Part], DestTy);
3346       propagateMetadata(Entry, it);
3347       break;
3348     }
3349
3350     case Instruction::Call: {
3351       // Ignore dbg intrinsics.
3352       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
3353         break;
3354       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3355
3356       Module *M = BB->getParent()->getParent();
3357       CallInst *CI = cast<CallInst>(it);
3358       Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
3359       assert(ID && "Not an intrinsic call!");
3360       switch (ID) {
3361       case Intrinsic::assume:
3362       case Intrinsic::lifetime_end:
3363       case Intrinsic::lifetime_start:
3364         scalarizeInstruction(it);
3365         break;
3366       default:
3367         bool HasScalarOpd = hasVectorInstrinsicScalarOpd(ID, 1);
3368         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3369           SmallVector<Value *, 4> Args;
3370           for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i) {
3371             if (HasScalarOpd && i == 1) {
3372               Args.push_back(CI->getArgOperand(i));
3373               continue;
3374             }
3375             VectorParts &Arg = getVectorValue(CI->getArgOperand(i));
3376             Args.push_back(Arg[Part]);
3377           }
3378           Type *Tys[] = {CI->getType()};
3379           if (VF > 1)
3380             Tys[0] = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
3381
3382           Function *F = Intrinsic::getDeclaration(M, ID, Tys);
3383           Entry[Part] = Builder.CreateCall(F, Args);
3384         }
3385
3386         propagateMetadata(Entry, it);
3387         break;
3388       }
3389       break;
3390     }
3391
3392     default:
3393       // All other instructions are unsupported. Scalarize them.
3394       scalarizeInstruction(it);
3395       break;
3396     }// end of switch.
3397   }// end of for_each instr.
3398 }
3399
3400 void InnerLoopVectorizer::updateAnalysis() {
3401   // Forget the original basic block.
3402   SE->forgetLoop(OrigLoop);
3403
3404   // Update the dominator tree information.
3405   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlocks.front(), LoopExitBlock) &&
3406          "Entry does not dominate exit.");
3407
3408   for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
3409     DT->addNewBlock(LoopBypassBlocks[I], LoopBypassBlocks[I-1]);
3410   DT->addNewBlock(LoopVectorPreHeader, LoopBypassBlocks.back());
3411
3412   // Due to if predication of stores we might create a sequence of "if(pred)
3413   // a[i] = ...;  " blocks.
3414   for (unsigned i = 0, e = LoopVectorBody.size(); i != e; ++i) {
3415     if (i == 0)
3416       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[0], LoopVectorPreHeader);
3417     else if (isPredicatedBlock(i)) {
3418       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[i], LoopVectorBody[i-1]);
3419     } else {
3420       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[i], LoopVectorBody[i-2]);
3421     }
3422   }
3423
3424   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock, LoopBypassBlocks[1]);
3425   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopBypassBlocks[0]);
3426   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
3427   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopBypassBlocks[0]);
3428
3429   DEBUG(DT->verifyDomTree());
3430 }
3431
3432 /// \brief Check whether it is safe to if-convert this phi node.
3433 ///
3434 /// Phi nodes with constant expressions that can trap are not safe to if
3435 /// convert.
3436 static bool canIfConvertPHINodes(BasicBlock *BB) {
3437   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
3438     PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I);
3439     if (!Phi)
3440       return true;
3441     for (unsigned p = 0, e = Phi->getNumIncomingValues(); p != e; ++p)
3442       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Phi->getIncomingValue(p)))
3443         if (C->canTrap())
3444           return false;
3445   }
3446   return true;
3447 }
3448
3449 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeWithIfConvert() {
3450   if (!EnableIfConversion) {
3451     emitAnalysis(Report() << "if-conversion is disabled");
3452     return false;
3453   }
3454
3455   assert(TheLoop->getNumBlocks() > 1 && "Single block loops are vectorizable");
3456
3457   // A list of pointers that we can safely read and write to.
3458   SmallPtrSet<Value *, 8> SafePointes;
3459
3460   // Collect safe addresses.
3461   for (Loop::block_iterator BI = TheLoop->block_begin(),
3462          BE = TheLoop->block_end(); BI != BE; ++BI) {
3463     BasicBlock *BB = *BI;
3464
3465     if (blockNeedsPredication(BB))
3466       continue;
3467
3468     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
3469       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
3470         SafePointes.insert(LI->getPointerOperand());
3471       else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
3472         SafePointes.insert(SI->getPointerOperand());
3473     }
3474   }
3475
3476   // Collect the blocks that need predication.
3477   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
3478   for (Loop::block_iterator BI = TheLoop->block_begin(),
3479          BE = TheLoop->block_end(); BI != BE; ++BI) {
3480     BasicBlock *BB = *BI;
3481
3482     // We don't support switch statements inside loops.
3483     if (!isa<BranchInst>(BB->getTerminator())) {
3484       emitAnalysis(Report(BB->getTerminator())
3485                    << "loop contains a switch statement");
3486       return false;
3487     }
3488
3489     // We must be able to predicate all blocks that need to be predicated.
3490     if (blockNeedsPredication(BB)) {
3491       if (!blockCanBePredicated(BB, SafePointes)) {
3492         emitAnalysis(Report(BB->getTerminator())
3493                      << "control flow cannot be substituted for a select");
3494         return false;
3495       }
3496     } else if (BB != Header && !canIfConvertPHINodes(BB)) {
3497       emitAnalysis(Report(BB->getTerminator())
3498                    << "control flow cannot be substituted for a select");
3499       return false;
3500     }
3501   }
3502
3503   // We can if-convert this loop.
3504   return true;
3505 }
3506
3507 bool LoopVectorizationLegality::canVectorize() {
3508   // We must have a loop in canonical form. Loops with indirectbr in them cannot
3509   // be canonicalized.
3510   if (!TheLoop->getLoopPreheader()) {
3511     emitAnalysis(
3512         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3513     return false;
3514   }
3515
3516   // We can only vectorize innermost loops.
3517   if (TheLoop->getSubLoopsVector().size()) {
3518     emitAnalysis(Report() << "loop is not the innermost loop");
3519     return false;
3520   }
3521
3522   // We must have a single backedge.
3523   if (TheLoop->getNumBackEdges() != 1) {
3524     emitAnalysis(
3525         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3526     return false;
3527   }
3528
3529   // We must have a single exiting block.
3530   if (!TheLoop->getExitingBlock()) {
3531     emitAnalysis(
3532         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3533     return false;
3534   }
3535
3536   // We only handle bottom-tested loops, i.e. loop in which the condition is
3537   // checked at the end of each iteration. With that we can assume that all
3538   // instructions in the loop are executed the same number of times.
3539   if (TheLoop->getExitingBlock() != TheLoop->getLoopLatch()) {
3540     emitAnalysis(
3541         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3542     return false;
3543   }
3544
3545   // We need to have a loop header.
3546   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " <<
3547         TheLoop->getHeader()->getName() << '\n');
3548
3549   // Check if we can if-convert non-single-bb loops.
3550   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
3551   if (NumBlocks != 1 && !canVectorizeWithIfConvert()) {
3552     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't if-convert the loop.\n");
3553     return false;
3554   }
3555
3556   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
3557   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(TheLoop);
3558   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
3559     emitAnalysis(Report() << "could not determine number of loop iterations");
3560     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
3561     return false;
3562   }
3563
3564   // Check if we can vectorize the instructions and CFG in this loop.
3565   if (!canVectorizeInstrs()) {
3566     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize the instructions or CFG\n");
3567     return false;
3568   }
3569
3570   // Go over each instruction and look at memory deps.
3571   if (!canVectorizeMemory()) {
3572     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize due to memory conflicts\n");
3573     return false;
3574   }
3575
3576   // Collect all of the variables that remain uniform after vectorization.
3577   collectLoopUniforms();
3578
3579   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop" <<
3580         (PtrRtCheck.Need ? " (with a runtime bound check)" : "")
3581         <<"!\n");
3582
3583   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
3584   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return true with
3585   // no restrictions.
3586   return true;
3587 }
3588
3589 static Type *convertPointerToIntegerType(const DataLayout &DL, Type *Ty) {
3590   if (Ty->isPointerTy())
3591     return DL.getIntPtrType(Ty);
3592
3593   // It is possible that char's or short's overflow when we ask for the loop's
3594   // trip count, work around this by changing the type size.
3595   if (Ty->getScalarSizeInBits() < 32)
3596     return Type::getInt32Ty(Ty->getContext());
3597
3598   return Ty;
3599 }
3600
3601 static Type* getWiderType(const DataLayout &DL, Type *Ty0, Type *Ty1) {
3602   Ty0 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty0);
3603   Ty1 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty1);
3604   if (Ty0->getScalarSizeInBits() > Ty1->getScalarSizeInBits())
3605     return Ty0;
3606   return Ty1;
3607 }
3608
3609 /// \brief Check that the instruction has outside loop users and is not an
3610 /// identified reduction variable.
3611 static bool hasOutsideLoopUser(const Loop *TheLoop, Instruction *Inst,
3612                                SmallPtrSetImpl<Value *> &Reductions) {
3613   // Reduction instructions are allowed to have exit users. All other
3614   // instructions must not have external users.
3615   if (!Reductions.count(Inst))
3616     //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
3617     for (User *U : Inst->users()) {
3618       Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
3619       // This user may be a reduction exit value.
3620       if (!TheLoop->contains(UI)) {
3621         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : " << *UI << '\n');
3622         return true;
3623       }
3624     }
3625   return false;
3626 }
3627
3628 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeInstrs() {
3629   BasicBlock *PreHeader = TheLoop->getLoopPreheader();
3630   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
3631
3632   // Look for the attribute signaling the absence of NaNs.
3633   Function &F = *Header->getParent();
3634   if (F.hasFnAttribute("no-nans-fp-math"))
3635     HasFunNoNaNAttr = F.getAttributes().getAttribute(
3636       AttributeSet::FunctionIndex,
3637       "no-nans-fp-math").getValueAsString() == "true";
3638
3639   // For each block in the loop.
3640   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
3641        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
3642
3643     // Scan the instructions in the block and look for hazards.
3644     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
3645          ++it) {
3646
3647       if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(it)) {
3648         Type *PhiTy = Phi->getType();
3649         // Check that this PHI type is allowed.
3650         if (!PhiTy->isIntegerTy() &&
3651             !PhiTy->isFloatingPointTy() &&
3652             !PhiTy->isPointerTy()) {
3653           emitAnalysis(Report(it)
3654                        << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3655           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int non-pointer PHI.\n");
3656           return false;
3657         }
3658
3659         // If this PHINode is not in the header block, then we know that we
3660         // can convert it to select during if-conversion. No need to check if
3661         // the PHIs in this block are induction or reduction variables.
3662         if (*bb != Header) {
3663           // Check that this instruction has no outside users or is an
3664           // identified reduction value with an outside user.
3665           if (!hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
3666             continue;
3667           emitAnalysis(Report(it) << "value could not be identified as "
3668                                      "an induction or reduction variable");
3669           return false;
3670         }
3671
3672         // We only allow if-converted PHIs with more than two incoming values.
3673         if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
3674           emitAnalysis(Report(it)
3675                        << "control flow not understood by vectorizer");
3676           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
3677           return false;
3678         }
3679
3680         // This is the value coming from the preheader.
3681         Value *StartValue = Phi->getIncomingValueForBlock(PreHeader);
3682         // Check if this is an induction variable.
3683         InductionKind IK = isInductionVariable(Phi);
3684
3685         if (IK_NoInduction != IK) {
3686           // Get the widest type.
3687           if (!WidestIndTy)
3688             WidestIndTy = convertPointerToIntegerType(*DL, PhiTy);
3689           else
3690             WidestIndTy = getWiderType(*DL, PhiTy, WidestIndTy);
3691
3692           // Int inductions are special because we only allow one IV.
3693           if (IK == IK_IntInduction) {
3694             // Use the phi node with the widest type as induction. Use the last
3695             // one if there are multiple (no good reason for doing this other
3696             // than it is expedient).
3697             if (!Induction || PhiTy == WidestIndTy)
3698               Induction = Phi;
3699           }
3700
3701           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an induction variable.\n");
3702           Inductions[Phi] = InductionInfo(StartValue, IK);
3703
3704           // Until we explicitly handle the case of an induction variable with
3705           // an outside loop user we have to give up vectorizing this loop.
3706           if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit)) {
3707             emitAnalysis(Report(it) << "use of induction value outside of the "
3708                                        "loop is not handled by vectorizer");
3709             return false;
3710           }
3711
3712           continue;
3713         }
3714
3715         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAdd)) {
3716           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3717           continue;
3718         }
3719         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMult)) {
3720           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MUL reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3721           continue;
3722         }
3723         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerOr)) {
3724           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an OR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3725           continue;
3726         }
3727         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAnd)) {
3728           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an AND reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3729           continue;
3730         }
3731         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerXor)) {
3732           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a XOR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3733           continue;
3734         }
3735         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMinMax)) {
3736           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3737           continue;
3738         }
3739         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMult)) {
3740           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FMult reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3741           continue;
3742         }
3743         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatAdd)) {
3744           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FAdd reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3745           continue;
3746         }
3747         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMinMax)) {
3748           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an float MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<
3749                 "\n");
3750           continue;
3751         }
3752
3753         emitAnalysis(Report(it) << "value that could not be identified as "
3754                                    "reduction is used outside the loop");
3755         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
3756         return false;
3757       }// end of PHI handling
3758
3759       // We still don't handle functions. However, we can ignore dbg intrinsic
3760       // calls and we do handle certain intrinsic and libm functions.
3761       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(it);
3762       if (CI && !getIntrinsicIDForCall(CI, TLI) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(CI)) {
3763         emitAnalysis(Report(it) << "call instruction cannot be vectorized");
3764         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site.\n");
3765         return false;
3766       }
3767
3768       // Intrinsics such as powi,cttz and ctlz are legal to vectorize if the
3769       // second argument is the same (i.e. loop invariant)
3770       if (CI &&
3771           hasVectorInstrinsicScalarOpd(getIntrinsicIDForCall(CI, TLI), 1)) {
3772         if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(CI->getOperand(1)), TheLoop)) {
3773           emitAnalysis(Report(it)
3774                        << "intrinsic instruction cannot be vectorized");
3775           DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable intrinsic " << *CI << "\n");
3776           return false;
3777         }
3778       }
3779
3780       // Check that the instruction return type is vectorizable.
3781       // Also, we can't vectorize extractelement instructions.
3782       if ((!VectorType::isValidElementType(it->getType()) &&
3783            !it->getType()->isVoidTy()) || isa<ExtractElementInst>(it)) {
3784         emitAnalysis(Report(it)
3785                      << "instruction return type cannot be vectorized");
3786         DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type.\n");
3787         return false;
3788       }
3789
3790       // Check that the stored type is vectorizable.
3791       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it)) {
3792         Type *T = ST->getValueOperand()->getType();
3793         if (!VectorType::isValidElementType(T)) {
3794           emitAnalysis(Report(ST) << "store instruction cannot be vectorized");
3795           return false;
3796         }
3797         if (EnableMemAccessVersioning)
3798           collectStridedAcccess(ST);
3799       }
3800
3801       if (EnableMemAccessVersioning)
3802         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it))
3803           collectStridedAcccess(LI);
3804
3805       // Reduction instructions are allowed to have exit users.
3806       // All other instructions must not have external users.
3807       if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit)) {
3808         emitAnalysis(Report(it) << "value cannot be used outside the loop");
3809         return false;
3810       }
3811
3812     } // next instr.
3813
3814   }
3815
3816   if (!Induction) {
3817     DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find one integer induction var.\n");
3818     if (Inductions.empty()) {
3819       emitAnalysis(Report()
3820                    << "loop induction variable could not be identified");
3821       return false;
3822     }
3823   }
3824
3825   return true;
3826 }
3827
3828 ///\brief Remove GEPs whose indices but the last one are loop invariant and
3829 /// return the induction operand of the gep pointer.
3830 static Value *stripGetElementPtr(Value *Ptr, ScalarEvolution *SE,
3831                                  const DataLayout *DL, Loop *Lp) {
3832   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
3833   if (!GEP)
3834     return Ptr;
3835
3836   unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(DL, GEP);
3837
3838   // Check that all of the gep indices are uniform except for our induction
3839   // operand.
3840   for (unsigned i = 0, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
3841     if (i != InductionOperand &&
3842         !SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GEP->getOperand(i)), Lp))
3843       return Ptr;
3844   return GEP->getOperand(InductionOperand);
3845 }
3846
3847 ///\brief Look for a cast use of the passed value.
3848 static Value *getUniqueCastUse(Value *Ptr, Loop *Lp, Type *Ty) {
3849   Value *UniqueCast = nullptr;
3850   for (User *U : Ptr->users()) {
3851     CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(U);
3852     if (CI && CI->getType() == Ty) {
3853       if (!UniqueCast)
3854         UniqueCast = CI;
3855       else
3856         return nullptr;
3857     }
3858   }
3859   return UniqueCast;
3860 }
3861
3862 ///\brief Get the stride of a pointer access in a loop.
3863 /// Looks for symbolic strides "a[i*stride]". Returns the symbolic stride as a
3864 /// pointer to the Value, or null otherwise.
3865 static Value *getStrideFromPointer(Value *Ptr, ScalarEvolution *SE,
3866                                    const DataLayout *DL, Loop *Lp) {
3867   const PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(Ptr->getType());
3868   if (!PtrTy || PtrTy->isAggregateType())
3869     return nullptr;
3870
3871   // Try to remove a gep instruction to make the pointer (actually index at this
3872   // point) easier analyzable. If OrigPtr is equal to Ptr we are analzying the
3873   // pointer, otherwise, we are analyzing the index.
3874   Value *OrigPtr = Ptr;
3875
3876   // The size of the pointer access.
3877   int64_t PtrAccessSize = 1;
3878
3879   Ptr = stripGetElementPtr(Ptr, SE, DL, Lp);
3880   const SCEV *V = SE->getSCEV(Ptr);
3881
3882   if (Ptr != OrigPtr)
3883     // Strip off casts.
3884     while (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(V))
3885       V = C->getOperand();
3886
3887   const SCEVAddRecExpr *S = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
3888   if (!S)
3889     return nullptr;
3890
3891   V = S->getStepRecurrence(*SE);
3892   if (!V)
3893     return nullptr;
3894
3895   // Strip off the size of access multiplication if we are still analyzing the
3896   // pointer.
3897   if (OrigPtr == Ptr) {
3898     DL->getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
3899     if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(V)) {
3900       if (M->getOperand(0)->getSCEVType() != scConstant)
3901         return nullptr;
3902
3903       const APInt &APStepVal =
3904           cast<SCEVConstant>(M->getOperand(0))->getValue()->getValue();
3905
3906       // Huge step value - give up.
3907       if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
3908         return nullptr;
3909
3910       int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
3911       if (PtrAccessSize != StepVal)
3912         return nullptr;
3913       V = M->getOperand(1);
3914     }
3915   }
3916
3917   // Strip off casts.
3918   Type *StripedOffRecurrenceCast = nullptr;
3919   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(V)) {
3920     StripedOffRecurrenceCast = C->getType();
3921     V = C->getOperand();
3922   }
3923
3924   // Look for the loop invariant symbolic value.
3925   const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(V);
3926   if (!U)
3927     return nullptr;
3928
3929   Value *Stride = U->getValue();
3930   if (!Lp->isLoopInvariant(Stride))
3931     return nullptr;
3932
3933   // If we have stripped off the recurrence cast we have to make sure that we
3934   // return the value that is used in this loop so that we can replace it later.
3935   if (StripedOffRecurrenceCast)
3936     Stride = getUniqueCastUse(Stride, Lp, StripedOffRecurrenceCast);
3937
3938   return Stride;
3939 }
3940
3941 void LoopVectorizationLegality::collectStridedAcccess(Value *MemAccess) {
3942   Value *Ptr = nullptr;
3943   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(MemAccess))
3944     Ptr = LI->getPointerOperand();
3945   else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(MemAccess))
3946     Ptr = SI->getPointerOperand();
3947   else
3948     return;
3949
3950   Value *Stride = getStrideFromPointer(Ptr, SE, DL, TheLoop);
3951   if (!Stride)
3952     return;
3953
3954   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a strided access that we can version");
3955   DEBUG(dbgs() << "  Ptr: " << *Ptr << " Stride: " << *Stride << "\n");
3956   Strides[Ptr] = Stride;
3957   StrideSet.insert(Stride);
3958 }
3959
3960 void LoopVectorizationLegality::collectLoopUniforms() {
3961   // We now know that the loop is vectorizable!
3962   // Collect variables that will remain uniform after vectorization.
3963   std::vector<Value*> Worklist;
3964   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
3965
3966   // Start with the conditional branch and walk up the block.
3967   Worklist.push_back(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
3968
3969   // Also add all consecutive pointer values; these values will be uniform
3970   // after vectorization (and subsequent cleanup) and, until revectorization is
3971   // supported, all dependencies must also be uniform.
3972   for (Loop::block_iterator B = TheLoop->block_begin(),
3973        BE = TheLoop->block_end(); B != BE; ++B)
3974     for (BasicBlock::iterator I = (*B)->begin(), IE = (*B)->end();
3975          I != IE; ++I)
3976       if (I->getType()->isPointerTy() && isConsecutivePtr(I))
3977         Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
3978
3979   while (Worklist.size()) {
3980     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.back());
3981     Worklist.pop_back();
3982
3983     // Look at instructions inside this loop.
3984     // Stop when reaching PHI nodes.
3985     // TODO: we need to follow values all over the loop, not only in this block.
3986     if (!I || !TheLoop->contains(I) || isa<PHINode>(I))
3987       continue;
3988
3989     // This is a known uniform.
3990     Uniforms.insert(I);
3991
3992     // Insert all operands.
3993     Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
3994   }
3995 }
3996
3997 namespace {
3998 /// \brief Analyses memory accesses in a loop.
3999 ///
4000 /// Checks whether run time pointer checks are needed and builds sets for data
4001 /// dependence checking.
4002 class AccessAnalysis {
4003 public:
4004   /// \brief Read or write access location.
4005   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
4006   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
4007
4008   /// \brief Set of potential dependent memory accesses.
4009   typedef EquivalenceClasses<MemAccessInfo> DepCandidates;
4010
4011   AccessAnalysis(const DataLayout *Dl, AliasAnalysis *AA, DepCandidates &DA) :
4012     DL(Dl), AST(*AA), DepCands(DA), IsRTCheckNeeded(false) {}
4013
4014   /// \brief Register a load  and whether it is only read from.
4015   void addLoad(AliasAnalysis::Location &Loc, bool IsReadOnly) {
4016     Value *Ptr = const_cast<Value*>(Loc.Ptr);
4017     AST.add(Ptr, AliasAnalysis::UnknownSize, Loc.AATags);
4018     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, false));
4019     if (IsReadOnly)
4020       ReadOnlyPtr.insert(Ptr);
4021   }
4022
4023   /// \brief Register a store.
4024   void addStore(AliasAnalysis::Location &Loc) {
4025     Value *Ptr = const_cast<Value*>(Loc.Ptr);
4026     AST.add(Ptr, AliasAnalysis::UnknownSize, Loc.AATags);
4027     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, true));
4028   }
4029
4030   /// \brief Check whether we can check the pointers at runtime for
4031   /// non-intersection.
4032   bool canCheckPtrAtRT(LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
4033                        unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE,
4034                        Loop *TheLoop, ValueToValueMap &Strides,
4035                        bool ShouldCheckStride = false);
4036
4037   /// \brief Goes over all memory accesses, checks whether a RT check is needed
4038   /// and builds sets of dependent accesses.
4039   void buildDependenceSets() {
4040     processMemAccesses();
4041   }
4042
4043   bool isRTCheckNeeded() { return IsRTCheckNeeded; }
4044
4045   bool isDependencyCheckNeeded() { return !CheckDeps.empty(); }
4046   void resetDepChecks() { CheckDeps.clear(); }
4047
4048   MemAccessInfoSet &getDependenciesToCheck() { return CheckDeps; }
4049
4050 private:
4051   typedef SetVector<MemAccessInfo> PtrAccessSet;
4052
4053   /// \brief Go over all memory access and check whether runtime pointer checks
4054   /// are needed /// and build sets of dependency check candidates.
4055   void processMemAccesses();
4056
4057   /// Set of all accesses.
4058   PtrAccessSet Accesses;
4059
4060   /// Set of accesses that need a further dependence check.
4061   MemAccessInfoSet CheckDeps;
4062
4063   /// Set of pointers that are read only.
4064   SmallPtrSet<Value*, 16> ReadOnlyPtr;
4065
4066   const DataLayout *DL;
4067
4068   /// An alias set tracker to partition the access set by underlying object and
4069   //intrinsic property (such as TBAA metadata).
4070   AliasSetTracker AST;
4071
4072   /// Sets of potentially dependent accesses - members of one set share an
4073   /// underlying pointer. The set "CheckDeps" identfies which sets really need a
4074   /// dependence check.
4075   DepCandidates &DepCands;
4076
4077   bool IsRTCheckNeeded;
4078 };
4079
4080 } // end anonymous namespace
4081
4082 /// \brief Check whether a pointer can participate in a runtime bounds check.
4083 static bool hasComputableBounds(ScalarEvolution *SE, ValueToValueMap &Strides,
4084                                 Value *Ptr) {
4085   const SCEV *PtrScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, Ptr);
4086   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
4087   if (!AR)
4088     return false;
4089
4090   return AR->isAffine();
4091 }
4092
4093 /// \brief Check the stride of the pointer and ensure that it does not wrap in
4094 /// the address space.
4095 static int isStridedPtr(ScalarEvolution *SE, const DataLayout *DL, Value *Ptr,
4096                         const Loop *Lp, ValueToValueMap &StridesMap);
4097
4098 bool AccessAnalysis::canCheckPtrAtRT(
4099     LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
4100     unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE, Loop *TheLoop,
4101     ValueToValueMap &StridesMap, bool ShouldCheckStride) {
4102   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
4103   // to place a runtime bound check.
4104   bool CanDoRT = true;
4105
4106   bool IsDepCheckNeeded = isDependencyCheckNeeded();
4107   NumComparisons = 0;
4108
4109   // We assign a consecutive id to access from different alias sets.
4110   // Accesses between different groups doesn't need to be checked.
4111   unsigned ASId = 1;
4112   for (auto &AS : AST) {
4113     unsigned NumReadPtrChecks = 0;
4114     unsigned NumWritePtrChecks = 0;
4115
4116     // We assign consecutive id to access from different dependence sets.
4117     // Accesses within the same set don't need a runtime check.
4118     unsigned RunningDepId = 1;
4119     DenseMap<Value *, unsigned> DepSetId;
4120
4121     for (auto A : AS) {
4122       Value *Ptr = A.getValue();
4123       bool IsWrite = Accesses.count(MemAccessInfo(Ptr, true));
4124       MemAccessInfo Access(Ptr, IsWrite);
4125
4126       if (IsWrite)
4127         ++NumWritePtrChecks;
4128       else
4129         ++NumReadPtrChecks;
4130
4131       if (hasComputableBounds(SE, StridesMap, Ptr) &&
4132           // When we run after a failing dependency check we have to make sure we
4133           // don't have wrapping pointers.
4134           (!ShouldCheckStride ||
4135            isStridedPtr(SE, DL, Ptr, TheLoop, StridesMap) == 1)) {
4136         // The id of the dependence set.
4137         unsigned DepId;
4138
4139         if (IsDepCheckNeeded) {
4140           Value *Leader = DepCands.getLeaderValue(Access).getPointer();
4141           unsigned &LeaderId = DepSetId[Leader];
4142           if (!LeaderId)
4143             LeaderId = RunningDepId++;
4144           DepId = LeaderId;
4145         } else
4146           // Each access has its own dependence set.
4147           DepId = RunningDepId++;
4148
4149         RtCheck.insert(SE, TheLoop, Ptr, IsWrite, DepId, ASId, StridesMap);
4150
4151         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << *Ptr << '\n');
4152       } else {
4153         CanDoRT = false;
4154       }
4155     }
4156
4157     if (IsDepCheckNeeded && CanDoRT && RunningDepId == 2)
4158       NumComparisons += 0; // Only one dependence set.
4159     else {
4160       NumComparisons += (NumWritePtrChecks * (NumReadPtrChecks +
4161                                               NumWritePtrChecks - 1));
4162     }
4163
4164     ++ASId;
4165   }
4166
4167   // If the pointers that we would use for the bounds comparison have different
4168   // address spaces, assume the values aren't directly comparable, so we can't
4169   // use them for the runtime check. We also have to assume they could
4170   // overlap. In the future there should be metadata for whether address spaces
4171   // are disjoint.
4172   unsigned NumPointers = RtCheck.Pointers.size();
4173   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
4174     for (unsigned j = i + 1; j < NumPointers; ++j) {
4175       // Only need to check pointers between two different dependency sets.
4176       if (RtCheck.DependencySetId[i] == RtCheck.DependencySetId[j])
4177        continue;
4178       // Only need to check pointers in the same alias set.
4179       if (RtCheck.AliasSetId[i] != RtCheck.AliasSetId[j])
4180         continue;
4181
4182       Value *PtrI = RtCheck.Pointers[i];
4183       Value *PtrJ = RtCheck.Pointers[j];
4184
4185       unsigned ASi = PtrI->getType()->getPointerAddressSpace();
4186       unsigned ASj = PtrJ->getType()->getPointerAddressSpace();
4187       if (ASi != ASj) {
4188         DEBUG(dbgs() << "LV: Runtime check would require comparison between"
4189                        " different address spaces\n");
4190         return false;
4191       }
4192     }
4193   }
4194
4195   return CanDoRT;
4196 }
4197
4198 void AccessAnalysis::processMemAccesses() {
4199   // We process the set twice: first we process read-write pointers, last we
4200   // process read-only pointers. This allows us to skip dependence tests for
4201   // read-only pointers.
4202
4203   DEBUG(dbgs() << "LV: Processing memory accesses...\n");
4204   DEBUG(dbgs() << "  AST: "; AST.dump());
4205   DEBUG(dbgs() << "LV:   Accesses:\n");
4206   DEBUG({
4207     for (auto A : Accesses)
4208       dbgs() << "\t" << *A.getPointer() << " (" <<
4209                 (A.getInt() ? "write" : (ReadOnlyPtr.count(A.getPointer()) ?
4210                                          "read-only" : "read")) << ")\n";
4211   });
4212
4213   // The AliasSetTracker has nicely partitioned our pointers by metadata
4214   // compatibility and potential for underlying-object overlap. As a result, we
4215   // only need to check for potential pointer dependencies within each alias
4216   // set.
4217   for (auto &AS : AST) {
4218     // Note that both the alias-set tracker and the alias sets themselves used
4219     // linked lists internally and so the iteration order here is deterministic
4220     // (matching the original instruction order within each set).
4221
4222     bool SetHasWrite = false;
4223
4224     // Map of pointers to last access encountered.
4225     typedef DenseMap<Value*, MemAccessInfo> UnderlyingObjToAccessMap;
4226     UnderlyingObjToAccessMap ObjToLastAccess;
4227
4228     // Set of access to check after all writes have been processed.
4229     PtrAccessSet DeferredAccesses;
4230
4231     // Iterate over each alias set twice, once to process read/write pointers,
4232     // and then to process read-only pointers.
4233     for (int SetIteration = 0; SetIteration < 2; ++SetIteration) {
4234       bool UseDeferred = SetIteration > 0;
4235       PtrAccessSet &S = UseDeferred ? DeferredAccesses : Accesses;
4236
4237       for (auto A : AS) {
4238         Value *Ptr = A.getValue();
4239         bool IsWrite = S.count(MemAccessInfo(Ptr, true));
4240
4241         // If we're using the deferred access set, then it contains only reads.
4242         bool IsReadOnlyPtr = ReadOnlyPtr.count(Ptr) && !IsWrite;
4243         if (UseDeferred && !IsReadOnlyPtr)
4244           continue;
4245         // Otherwise, the pointer must be in the PtrAccessSet, either as a read
4246         // or a write.
4247         assert(((IsReadOnlyPtr && UseDeferred) || IsWrite ||
4248                  S.count(MemAccessInfo(Ptr, false))) &&
4249                "Alias-set pointer not in the access set?");
4250
4251         MemAccessInfo Access(Ptr, IsWrite);
4252         DepCands.insert(Access);
4253
4254         // Memorize read-only pointers for later processing and skip them in the
4255         // first round (they need to be checked after we have seen all write
4256         // pointers). Note: we also mark pointer that are not consecutive as
4257         // "read-only" pointers (so that we check "a[b[i]] +="). Hence, we need
4258         // the second check for "!IsWrite".
4259         if (!UseDeferred && IsReadOnlyPtr) {
4260           DeferredAccesses.insert(Access);
4261           continue;
4262         }
4263
4264         // If this is a write - check other reads and writes for conflicts.  If
4265         // this is a read only check other writes for conflicts (but only if
4266         // there is no other write to the ptr - this is an optimization to
4267         // catch "a[i] = a[i] + " without having to do a dependence check).
4268         if ((IsWrite || IsReadOnlyPtr) && SetHasWrite) {
4269           CheckDeps.insert(Access);
4270           IsRTCheckNeeded = true;
4271         }
4272
4273         if (IsWrite)
4274           SetHasWrite = true;
4275
4276         // Create sets of pointers connected by a shared alias set and
4277         // underlying object.
4278         typedef SmallVector<Value *, 16> ValueVector;
4279         ValueVector TempObjects;
4280         GetUnderlyingObjects(Ptr, TempObjects, DL);
4281         for (Value *UnderlyingObj : TempObjects) {
4282           UnderlyingObjToAccessMap::iterator Prev =
4283             ObjToLastAccess.find(UnderlyingObj);
4284           if (Prev != ObjToLastAccess.end())
4285             DepCands.unionSets(Access, Prev->second);
4286
4287           ObjToLastAccess[UnderlyingObj] = Access;
4288         }
4289       }
4290     }
4291   }
4292 }
4293
4294 namespace {
4295 /// \brief Checks memory dependences among accesses to the same underlying
4296 /// object to determine whether there vectorization is legal or not (and at
4297 /// which vectorization factor).
4298 ///
4299 /// This class works under the assumption that we already checked that memory
4300 /// locations with different underlying pointers are "must-not alias".
4301 /// We use the ScalarEvolution framework to symbolically evalutate access
4302 /// functions pairs. Since we currently don't restructure the loop we can rely
4303 /// on the program order of memory accesses to determine their safety.
4304 /// At the moment we will only deem accesses as safe for:
4305 ///  * A negative constant distance assuming program order.
4306 ///
4307 ///      Safe: tmp = a[i + 1];     OR     a[i + 1] = x;
4308 ///            a[i] = tmp;                y = a[i];
4309 ///
4310 ///   The latter case is safe because later checks guarantuee that there can't
4311 ///   be a cycle through a phi node (that is, we check that "x" and "y" is not
4312 ///   the same variable: a header phi can only be an induction or a reduction, a
4313 ///   reduction can't have a memory sink, an induction can't have a memory
4314 ///   source). This is important and must not be violated (or we have to
4315 ///   resort to checking for cycles through memory).
4316 ///
4317 ///  * A positive constant distance assuming program order that is bigger
4318 ///    than the biggest memory access.
4319 ///
4320 ///     tmp = a[i]        OR              b[i] = x
4321 ///     a[i+2] = tmp                      y = b[i+2];
4322 ///
4323 ///     Safe distance: 2 x sizeof(a[0]), and 2 x sizeof(b[0]), respectively.
4324 ///
4325 ///  * Zero distances and all accesses have the same size.
4326 ///
4327 class MemoryDepChecker {
4328 public:
4329   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
4330   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
4331
4332   MemoryDepChecker(ScalarEvolution *Se, const DataLayout *Dl, const Loop *L)
4333       : SE(Se), DL(Dl), InnermostLoop(L), AccessIdx(0),
4334         ShouldRetryWithRuntimeCheck(false) {}
4335
4336   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
4337   /// of a write access.
4338   void addAccess(StoreInst *SI) {
4339     Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
4340     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, true)].push_back(AccessIdx);
4341     InstMap.push_back(SI);
4342     ++AccessIdx;
4343   }
4344
4345   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
4346   /// of a write access.
4347   void addAccess(LoadInst *LI) {
4348     Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
4349     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, false)].push_back(AccessIdx);
4350     InstMap.push_back(LI);
4351     ++AccessIdx;
4352   }
4353
4354   /// \brief Check whether the dependencies between the accesses are safe.
4355   ///
4356   /// Only checks sets with elements in \p CheckDeps.
4357   bool areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
4358                    MemAccessInfoSet &CheckDeps, ValueToValueMap &Strides);
4359
4360   /// \brief The maximum number of bytes of a vector register we can vectorize
4361   /// the accesses safely with.
4362   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return MaxSafeDepDistBytes; }
4363
4364   /// \brief In same cases when the dependency check fails we can still
4365   /// vectorize the loop with a dynamic array access check.
4366   bool shouldRetryWithRuntimeCheck() { return ShouldRetryWithRuntimeCheck; }
4367
4368 private:
4369   ScalarEvolution *SE;
4370   const DataLayout *DL;
4371   const Loop *InnermostLoop;
4372
4373   /// \brief Maps access locations (ptr, read/write) to program order.
4374   DenseMap<MemAccessInfo, std::vector<unsigned> > Accesses;
4375
4376   /// \brief Memory access instructions in program order.
4377   SmallVector<Instruction *, 16> InstMap;
4378
4379   /// \brief The program order index to be used for the next instruction.
4380   unsigned AccessIdx;
4381
4382   // We can access this many bytes in parallel safely.
4383   unsigned MaxSafeDepDistBytes;
4384
4385   /// \brief If we see a non-constant dependence distance we can still try to
4386   /// vectorize this loop with runtime checks.
4387   bool ShouldRetryWithRuntimeCheck;
4388
4389   /// \brief Check whether there is a plausible dependence between the two
4390   /// accesses.
4391   ///
4392   /// Access \p A must happen before \p B in program order. The two indices
4393   /// identify the index into the program order map.
4394   ///
4395   /// This function checks  whether there is a plausible dependence (or the
4396   /// absence of such can't be proved) between the two accesses. If there is a
4397   /// plausible dependence but the dependence distance is bigger than one
4398   /// element access it records this distance in \p MaxSafeDepDistBytes (if this
4399   /// distance is smaller than any other distance encountered so far).
4400   /// Otherwise, this function returns true signaling a possible dependence.
4401   bool isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
4402                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx,
4403                    ValueToValueMap &Strides);
4404
4405   /// \brief Check whether the data dependence could prevent store-load
4406   /// forwarding.
4407   bool couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance, unsigned TypeByteSize);
4408 };
4409
4410 } // end anonymous namespace
4411
4412 static bool isInBoundsGep(Value *Ptr) {
4413   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr))
4414     return GEP->isInBounds();
4415   return false;
4416 }
4417
4418 /// \brief Check whether the access through \p Ptr has a constant stride.
4419 static int isStridedPtr(ScalarEvolution *SE, const DataLayout *DL, Value *Ptr,
4420                         const Loop *Lp, ValueToValueMap &StridesMap) {
4421   const Type *Ty = Ptr->getType();
4422   assert(Ty->isPointerTy() && "Unexpected non-ptr");
4423
4424   // Make sure that the pointer does not point to aggregate types.
4425   const PointerType *PtrTy = cast<PointerType>(Ty);
4426   if (PtrTy->getElementType()->isAggregateType()) {
4427     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a pointer to a scalar type" << *Ptr <<
4428           "\n");
4429     return 0;
4430   }
4431
4432   const SCEV *PtrScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, StridesMap, Ptr);
4433
4434   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
4435   if (!AR) {
4436     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not an AddRecExpr pointer "
4437           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4438     return 0;
4439   }
4440
4441   // The accesss function must stride over the innermost loop.
4442   if (Lp != AR->getLoop()) {
4443     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not striding over innermost loop " <<
4444           *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4445   }
4446
4447   // The address calculation must not wrap. Otherwise, a dependence could be
4448   // inverted.
4449   // An inbounds getelementptr that is a AddRec with a unit stride
4450   // cannot wrap per definition. The unit stride requirement is checked later.
4451   // An getelementptr without an inbounds attribute and unit stride would have
4452   // to access the pointer value "0" which is undefined behavior in address
4453   // space 0, therefore we can also vectorize this case.
4454   bool IsInBoundsGEP = isInBoundsGep(Ptr);
4455   bool IsNoWrapAddRec = AR->getNoWrapFlags(SCEV::NoWrapMask);
4456   bool IsInAddressSpaceZero = PtrTy->getAddressSpace() == 0;
4457   if (!IsNoWrapAddRec && !IsInBoundsGEP && !IsInAddressSpaceZero) {
4458     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Pointer may wrap in the address space "
4459           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4460     return 0;
4461   }
4462
4463   // Check the step is constant.
4464   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
4465
4466   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4467   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4468   if (!C) {
4469     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a constant strided " << *Ptr <<
4470           " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4471     return 0;
4472   }
4473
4474   int64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
4475   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
4476
4477   // Huge step value - give up.
4478   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
4479     return 0;
4480
4481   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
4482
4483   // Strided access.
4484   int64_t Stride = StepVal / Size;
4485   int64_t Rem = StepVal % Size;
4486   if (Rem)
4487     return 0;
4488
4489   // If the SCEV could wrap but we have an inbounds gep with a unit stride we
4490   // know we can't "wrap around the address space". In case of address space
4491   // zero we know that this won't happen without triggering undefined behavior.
4492   if (!IsNoWrapAddRec && (IsInBoundsGEP || IsInAddressSpaceZero) &&
4493       Stride != 1 && Stride != -1)
4494     return 0;
4495
4496   return Stride;
4497 }
4498
4499 bool MemoryDepChecker::couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance,
4500                                                     unsigned TypeByteSize) {
4501   // If loads occur at a distance that is not a multiple of a feasible vector
4502   // factor store-load forwarding does not take place.
4503   // Positive dependences might cause troubles because vectorizing them might
4504   // prevent store-load forwarding making vectorized code run a lot slower.
4505   //   a[i] = a[i-3] ^ a[i-8];
4506   //   The stores to a[i:i+1] don't align with the stores to a[i-3:i-2] and
4507   //   hence on your typical architecture store-load forwarding does not take
4508   //   place. Vectorizing in such cases does not make sense.
4509   // Store-load forwarding distance.
4510   const unsigned NumCyclesForStoreLoadThroughMemory = 8*TypeByteSize;
4511   // Maximum vector factor.
4512   unsigned MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxVectorWidth*TypeByteSize;
4513   if(MaxSafeDepDistBytes < MaxVFWithoutSLForwardIssues)
4514     MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxSafeDepDistBytes;
4515
4516   for (unsigned vf = 2*TypeByteSize; vf <= MaxVFWithoutSLForwardIssues;
4517        vf *= 2) {
4518     if (Distance % vf && Distance / vf < NumCyclesForStoreLoadThroughMemory) {
4519       MaxVFWithoutSLForwardIssues = (vf >>=1);
4520       break;
4521     }
4522   }
4523
4524   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues< 2*TypeByteSize) {
4525     DEBUG(dbgs() << "LV: Distance " << Distance <<
4526           " that could cause a store-load forwarding conflict\n");
4527     return true;
4528   }
4529
4530   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues < MaxSafeDepDistBytes &&
4531       MaxVFWithoutSLForwardIssues != MaxVectorWidth*TypeByteSize)
4532     MaxSafeDepDistBytes = MaxVFWithoutSLForwardIssues;
4533   return false;
4534 }
4535
4536 bool MemoryDepChecker::isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
4537                                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx,
4538                                    ValueToValueMap &Strides) {
4539   assert (AIdx < BIdx && "Must pass arguments in program order");
4540
4541   Value *APtr = A.getPointer();
4542   Value *BPtr = B.getPointer();
4543   bool AIsWrite = A.getInt();
4544   bool BIsWrite = B.getInt();
4545
4546   // Two reads are independent.
4547   if (!AIsWrite && !BIsWrite)
4548     return false;
4549
4550   // We cannot check pointers in different address spaces.
4551   if (APtr->getType()->getPointerAddressSpace() !=
4552       BPtr->getType()->getPointerAddressSpace())
4553     return true;
4554
4555   const SCEV *AScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, APtr);
4556   const SCEV *BScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, BPtr);
4557
4558   int StrideAPtr = isStridedPtr(SE, DL, APtr, InnermostLoop, Strides);
4559   int StrideBPtr = isStridedPtr(SE, DL, BPtr, InnermostLoop, Strides);
4560
4561   const SCEV *Src = AScev;
4562   const SCEV *Sink = BScev;
4563
4564   // If the induction step is negative we have to invert source and sink of the
4565   // dependence.
4566   if (StrideAPtr < 0) {
4567     //Src = BScev;
4568     //Sink = AScev;
4569     std::swap(APtr, BPtr);
4570     std::swap(Src, Sink);
4571     std::swap(AIsWrite, BIsWrite);
4572     std::swap(AIdx, BIdx);
4573     std::swap(StrideAPtr, StrideBPtr);
4574   }
4575
4576   const SCEV *Dist = SE->getMinusSCEV(Sink, Src);
4577
4578   DEBUG(dbgs() << "LV: Src Scev: " << *Src << "Sink Scev: " << *Sink
4579         << "(Induction step: " << StrideAPtr <<  ")\n");
4580   DEBUG(dbgs() << "LV: Distance for " << *InstMap[AIdx] << " to "
4581         << *InstMap[BIdx] << ": " << *Dist << "\n");
4582
4583   // Need consecutive accesses. We don't want to vectorize
4584   // "A[B[i]] += ..." and similar code or pointer arithmetic that could wrap in
4585   // the address space.
4586   if (!StrideAPtr || !StrideBPtr || StrideAPtr != StrideBPtr){
4587     DEBUG(dbgs() << "Non-consecutive pointer access\n");
4588     return true;
4589   }
4590
4591   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Dist);
4592   if (!C) {
4593     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence because of non-constant distance\n");
4594     ShouldRetryWithRuntimeCheck = true;
4595     return true;
4596   }
4597
4598   Type *ATy = APtr->getType()->getPointerElementType();
4599   Type *BTy = BPtr->getType()->getPointerElementType();
4600   unsigned TypeByteSize = DL->getTypeAllocSize(ATy);
4601
4602   // Negative distances are not plausible dependencies.
4603   const APInt &Val = C->getValue()->getValue();
4604   if (Val.isNegative()) {
4605     bool IsTrueDataDependence = (AIsWrite && !BIsWrite);
4606     if (IsTrueDataDependence &&
4607         (couldPreventStoreLoadForward(Val.abs().getZExtValue(), TypeByteSize) ||
4608          ATy != BTy))
4609       return true;
4610
4611     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence is negative: NoDep\n");
4612     return false;
4613   }
4614
4615   // Write to the same location with the same size.
4616   // Could be improved to assert type sizes are the same (i32 == float, etc).
4617   if (Val == 0) {
4618     if (ATy == BTy)
4619       return false;
4620     DEBUG(dbgs() << "LV: Zero dependence difference but different types\n");
4621     return true;
4622   }
4623
4624   assert(Val.isStrictlyPositive() && "Expect a positive value");
4625
4626   // Positive distance bigger than max vectorization factor.
4627   if (ATy != BTy) {
4628     DEBUG(dbgs() <<
4629           "LV: ReadWrite-Write positive dependency with different types\n");
4630     return false;
4631   }
4632
4633   unsigned Distance = (unsigned) Val.getZExtValue();
4634
4635   // Bail out early if passed-in parameters make vectorization not feasible.
4636   unsigned ForcedFactor = VectorizationFactor ? VectorizationFactor : 1;
4637   unsigned ForcedUnroll = VectorizationInterleave ? VectorizationInterleave : 1;
4638
4639   // The distance must be bigger than the size needed for a vectorized version
4640   // of the operation and the size of the vectorized operation must not be
4641   // bigger than the currrent maximum size.
4642   if (Distance < 2*TypeByteSize ||
4643       2*TypeByteSize > MaxSafeDepDistBytes ||
4644       Distance < TypeByteSize * ForcedUnroll * ForcedFactor) {
4645     DEBUG(dbgs() << "LV: Failure because of Positive distance "
4646         << Val.getSExtValue() << '\n');
4647     return true;
4648   }
4649
4650   MaxSafeDepDistBytes = Distance < MaxSafeDepDistBytes ?
4651     Distance : MaxSafeDepDistBytes;
4652
4653   bool IsTrueDataDependence = (!AIsWrite && BIsWrite);
4654   if (IsTrueDataDependence &&
4655       couldPreventStoreLoadForward(Distance, TypeByteSize))
4656      return true;
4657
4658   DEBUG(dbgs() << "LV: Positive distance " << Val.getSExtValue() <<
4659         " with max VF = " << MaxSafeDepDistBytes / TypeByteSize << '\n');
4660
4661   return false;
4662 }
4663
4664 bool MemoryDepChecker::areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
4665                                    MemAccessInfoSet &CheckDeps,
4666                                    ValueToValueMap &Strides) {
4667
4668   MaxSafeDepDistBytes = -1U;
4669   while (!CheckDeps.empty()) {
4670     MemAccessInfo CurAccess = *CheckDeps.begin();
4671
4672     // Get the relevant memory access set.
4673     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::iterator I =
4674       AccessSets.findValue(AccessSets.getLeaderValue(CurAccess));
4675
4676     // Check accesses within this set.
4677     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator AI, AE;
4678     AI = AccessSets.member_begin(I), AE = AccessSets.member_end();
4679
4680     // Check every access pair.
4681     while (AI != AE) {
4682       CheckDeps.erase(*AI);
4683       EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator OI = std::next(AI);
4684       while (OI != AE) {
4685         // Check every accessing instruction pair in program order.
4686         for (std::vector<unsigned>::iterator I1 = Accesses[*AI].begin(),
4687              I1E = Accesses[*AI].end(); I1 != I1E; ++I1)
4688           for (std::vector<unsigned>::iterator I2 = Accesses[*OI].begin(),
4689                I2E = Accesses[*OI].end(); I2 != I2E; ++I2) {
4690             if (*I1 < *I2 && isDependent(*AI, *I1, *OI, *I2, Strides))
4691               return false;
4692             if (*I2 < *I1 && isDependent(*OI, *I2, *AI, *I1, Strides))
4693               return false;
4694           }
4695         ++OI;
4696       }
4697       AI++;
4698     }
4699   }
4700   return true;
4701 }
4702
4703 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory() {
4704
4705   typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
4706   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
4707
4708   // Holds the Load and Store *instructions*.
4709   ValueVector Loads;
4710   ValueVector Stores;
4711
4712   // Holds all the different accesses in the loop.
4713   unsigned NumReads = 0;
4714   unsigned NumReadWrites = 0;
4715
4716   PtrRtCheck.Pointers.clear();
4717   PtrRtCheck.Need = false;
4718
4719   const bool IsAnnotatedParallel = TheLoop->isAnnotatedParallel();
4720   MemoryDepChecker DepChecker(SE, DL, TheLoop);
4721
4722   // For each block.
4723   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4724        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4725
4726     // Scan the BB and collect legal loads and stores.
4727     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
4728          ++it) {
4729
4730       // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
4731       // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
4732       // calls that read or write.
4733       if (it->mayReadFromMemory()) {
4734         // Many math library functions read the rounding mode. We will only
4735         // vectorize a loop if it contains known function calls that don't set
4736         // the flag. Therefore, it is safe to ignore this read from memory.
4737         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(it);
4738         if (Call && getIntrinsicIDForCall(Call, TLI))
4739           continue;
4740
4741         LoadInst *Ld = dyn_cast<LoadInst>(it);
4742         if (!Ld || (!Ld->isSimple() && !IsAnnotatedParallel)) {
4743           emitAnalysis(Report(Ld)
4744                        << "read with atomic ordering or volatile read");
4745           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple load.\n");
4746           return false;
4747         }
4748         NumLoads++;
4749         Loads.push_back(Ld);
4750         DepChecker.addAccess(Ld);
4751         continue;
4752       }
4753
4754       // Save 'store' instructions. Abort if other instructions write to memory.
4755       if (it->mayWriteToMemory()) {
4756         StoreInst *St = dyn_cast<StoreInst>(it);
4757         if (!St) {
4758           emitAnalysis(Report(it) << "instruction cannot be vectorized");
4759           return false;
4760         }
4761         if (!St->isSimple() && !IsAnnotatedParallel) {
4762           emitAnalysis(Report(St)
4763                        << "write with atomic ordering or volatile write");
4764           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple store.\n");
4765           return false;
4766         }
4767         NumStores++;
4768         Stores.push_back(St);
4769         DepChecker.addAccess(St);
4770       }
4771     } // Next instr.
4772   } // Next block.
4773
4774   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
4775   // Next, we find the pointers that they use.
4776
4777   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
4778   // care if the pointers are *restrict*.
4779   if (!Stores.size()) {
4780     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a read-only loop!\n");
4781     return true;
4782   }
4783
4784   AccessAnalysis::DepCandidates DependentAccesses;
4785   AccessAnalysis Accesses(DL, AA, DependentAccesses);
4786
4787   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
4788   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
4789   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
4790   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
4791   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
4792   ValueSet Seen;
4793
4794   ValueVector::iterator I, IE;
4795   for (I = Stores.begin(), IE = Stores.end(); I != IE; ++I) {
4796     StoreInst *ST = cast<StoreInst>(*I);
4797     Value* Ptr = ST->getPointerOperand();
4798
4799     if (isUniform(Ptr)) {
4800       emitAnalysis(
4801           Report(ST)
4802           << "write to a loop invariant address could not be vectorized");
4803       DEBUG(dbgs() << "LV: We don't allow storing to uniform addresses\n");
4804       return false;
4805     }
4806
4807     // If we did *not* see this pointer before, insert it to  the read-write
4808     // list. At this phase it is only a 'write' list.
4809     if (Seen.insert(Ptr).second) {
4810       ++NumReadWrites;
4811
4812       AliasAnalysis::Location Loc = AA->getLocation(ST);
4813       // The TBAA metadata could have a control dependency on the predication
4814       // condition, so we cannot rely on it when determining whether or not we
4815       // need runtime pointer checks.
4816       if (blockNeedsPredication(ST->getParent()))
4817         Loc.AATags.TBAA = nullptr;
4818
4819       Accesses.addStore(Loc);
4820     }
4821   }
4822
4823   if (IsAnnotatedParallel) {
4824     DEBUG(dbgs()
4825           << "LV: A loop annotated parallel, ignore memory dependency "
4826           << "checks.\n");
4827     return true;
4828   }
4829
4830   for (I = Loads.begin(), IE = Loads.end(); I != IE; ++I) {
4831     LoadInst *LD = cast<LoadInst>(*I);
4832     Value* Ptr = LD->getPointerOperand();
4833     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
4834     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
4835     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
4836     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
4837     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
4838     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
4839     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
4840     // words may be written to the same address.
4841     bool IsReadOnlyPtr = false;
4842     if (Seen.insert(Ptr).second ||
4843         !isStridedPtr(SE, DL, Ptr, TheLoop, Strides)) {
4844       ++NumReads;
4845       IsReadOnlyPtr = true;
4846     }
4847
4848     AliasAnalysis::Location Loc = AA->getLocation(LD);
4849     // The TBAA metadata could have a control dependency on the predication
4850     // condition, so we cannot rely on it when determining whether or not we
4851     // need runtime pointer checks.
4852     if (blockNeedsPredication(LD->getParent()))
4853       Loc.AATags.TBAA = nullptr;
4854
4855     Accesses.addLoad(Loc, IsReadOnlyPtr);
4856   }
4857
4858   // If we write (or read-write) to a single destination and there are no
4859   // other reads in this loop then is it safe to vectorize.
4860   if (NumReadWrites == 1 && NumReads == 0) {
4861     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a write-only loop!\n");
4862     return true;
4863   }
4864
4865   // Build dependence sets and check whether we need a runtime pointer bounds
4866   // check.
4867   Accesses.buildDependenceSets();
4868   bool NeedRTCheck = Accesses.isRTCheckNeeded();
4869
4870   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
4871   // to place a runtime bound check.
4872   unsigned NumComparisons = 0;
4873   bool CanDoRT = false;
4874   if (NeedRTCheck)
4875     CanDoRT = Accesses.canCheckPtrAtRT(PtrRtCheck, NumComparisons, SE, TheLoop,
4876                                        Strides);
4877
4878   DEBUG(dbgs() << "LV: We need to do " << NumComparisons <<
4879         " pointer comparisons.\n");
4880
4881   // If we only have one set of dependences to check pointers among we don't
4882   // need a runtime check.
4883   if (NumComparisons == 0 && NeedRTCheck)
4884     NeedRTCheck = false;
4885
4886   // Check that we did not collect too many pointers or found an unsizeable
4887   // pointer.
4888   if (!CanDoRT || NumComparisons > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
4889     PtrRtCheck.reset();
4890     CanDoRT = false;
4891   }
4892
4893   if (CanDoRT) {
4894     DEBUG(dbgs() << "LV: We can perform a memory runtime check if needed.\n");
4895   }
4896
4897   if (NeedRTCheck && !CanDoRT) {
4898     emitAnalysis(Report() << "cannot identify array bounds");
4899     DEBUG(dbgs() << "LV: We can't vectorize because we can't find " <<
4900           "the array bounds.\n");
4901     PtrRtCheck.reset();
4902     return false;
4903   }
4904
4905   PtrRtCheck.Need = NeedRTCheck;
4906
4907   bool CanVecMem = true;
4908   if (Accesses.isDependencyCheckNeeded()) {
4909     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking memory dependencies\n");
4910     CanVecMem = DepChecker.areDepsSafe(
4911         DependentAccesses, Accesses.getDependenciesToCheck(), Strides);
4912     MaxSafeDepDistBytes = DepChecker.getMaxSafeDepDistBytes();
4913
4914     if (!CanVecMem && DepChecker.shouldRetryWithRuntimeCheck()) {
4915       DEBUG(dbgs() << "LV: Retrying with memory checks\n");
4916       NeedRTCheck = true;
4917
4918       // Clear the dependency checks. We assume they are not needed.
4919       Accesses.resetDepChecks();
4920
4921       PtrRtCheck.reset();
4922       PtrRtCheck.Need = true;
4923
4924       CanDoRT = Accesses.canCheckPtrAtRT(PtrRtCheck, NumComparisons, SE,
4925                                          TheLoop, Strides, true);
4926       // Check that we did not collect too many pointers or found an unsizeable
4927       // pointer.
4928       if (!CanDoRT || NumComparisons > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
4929         if (!CanDoRT && NumComparisons > 0)
4930           emitAnalysis(Report()
4931                        << "cannot check memory dependencies at runtime");
4932         else
4933           emitAnalysis(Report()
4934                        << NumComparisons << " exceeds limit of "
4935                        << RuntimeMemoryCheckThreshold
4936                        << " dependent memory operations checked at runtime");
4937         DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize with memory checks\n");
4938         PtrRtCheck.reset();
4939         return false;
4940       }
4941
4942       CanVecMem = true;
4943     }
4944   }
4945
4946   if (!CanVecMem)
4947     emitAnalysis(Report() << "unsafe dependent memory operations in loop");
4948
4949   DEBUG(dbgs() << "LV: We" << (NeedRTCheck ? "" : " don't") <<
4950         " need a runtime memory check.\n");
4951
4952   return CanVecMem;
4953 }
4954
4955 static bool hasMultipleUsesOf(Instruction *I,
4956                               SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Insts) {
4957   unsigned NumUses = 0;
4958   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use) {
4959     if (Insts.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
4960       ++NumUses;
4961     if (NumUses > 1)
4962       return true;
4963   }
4964
4965   return false;
4966 }
4967
4968 static bool areAllUsesIn(Instruction *I, SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Set) {
4969   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use)
4970     if (!Set.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
4971       return false;
4972   return true;
4973 }
4974
4975 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
4976                                                 ReductionKind Kind) {
4977   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
4978     return false;
4979
4980   // Reduction variables are only found in the loop header block.
4981   if (Phi->getParent() != TheLoop->getHeader())
4982     return false;
4983
4984   // Obtain the reduction start value from the value that comes from the loop
4985   // preheader.
4986   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValueForBlock(TheLoop->getLoopPreheader());
4987
4988   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
4989   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
4990   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
4991   // which ends in the phi node).
4992   Instruction *ExitInstruction = nullptr;
4993   // Indicates that we found a reduction operation in our scan.
4994   bool FoundReduxOp = false;
4995
4996   // We start with the PHI node and scan for all of the users of this
4997   // instruction. All users must be instructions that can be used as reduction
4998   // variables (such as ADD). We must have a single out-of-block user. The cycle
4999   // must include the original PHI.
5000   bool FoundStartPHI = false;
5001
5002   // To recognize min/max patterns formed by a icmp select sequence, we store
5003   // the number of instruction we saw from the recognized min/max pattern,
5004   //  to make sure we only see exactly the two instructions.
5005   unsigned NumCmpSelectPatternInst = 0;
5006   ReductionInstDesc ReduxDesc(false, nullptr);
5007
5008   SmallPtrSet<Instruction *, 8> VisitedInsts;
5009   SmallVector<Instruction *, 8> Worklist;
5010   Worklist.push_back(Phi);
5011   VisitedInsts.insert(Phi);
5012
5013   // A value in the reduction can be used:
5014   //  - By the reduction:
5015   //      - Reduction operation:
5016   //        - One use of reduction value (safe).
5017   //        - Multiple use of reduction value (not safe).
5018   //      - PHI:
5019   //        - All uses of the PHI must be the reduction (safe).
5020   //        - Otherwise, not safe.
5021   //  - By one instruction outside of the loop (safe).
5022   //  - By further instructions outside of the loop (not safe).
5023   //  - By an instruction that is not part of the reduction (not safe).
5024   //    This is either:
5025   //      * An instruction type other than PHI or the reduction operation.
5026   //      * A PHI in the header other than the initial PHI.
5027   while (!Worklist.empty()) {
5028     Instruction *Cur = Worklist.back();
5029     Worklist.pop_back();
5030
5031     // No Users.
5032     // If the instruction has no users then this is a broken chain and can't be
5033     // a reduction variable.
5034     if (Cur->use_empty())
5035       return false;
5036
5037     bool IsAPhi = isa<PHINode>(Cur);
5038
5039     // A header PHI use other than the original PHI.
5040     if (Cur != Phi && IsAPhi && Cur->getParent() == Phi->getParent())
5041       return false;
5042
5043     // Reductions of instructions such as Div, and Sub is only possible if the
5044     // LHS is the reduction variable.
5045     if (!Cur->isCommutative() && !IsAPhi && !isa<SelectInst>(Cur) &&
5046         !isa<ICmpInst>(Cur) && !isa<FCmpInst>(Cur) &&
5047         !VisitedInsts.count(dyn_cast<Instruction>(Cur->getOperand(0))))
5048       return false;
5049
5050     // Any reduction instruction must be of one of the allowed kinds.
5051     ReduxDesc = isReductionInstr(Cur, Kind, ReduxDesc);
5052     if (!ReduxDesc.IsReduction)
5053       return false;
5054
5055     // A reduction operation must only have one use of the reduction value.
5056     if (!IsAPhi && Kind != RK_IntegerMinMax && Kind != RK_FloatMinMax &&
5057         hasMultipleUsesOf(Cur, VisitedInsts))
5058       return false;
5059
5060     // All inputs to a PHI node must be a reduction value.
5061     if(IsAPhi && Cur != Phi && !areAllUsesIn(Cur, VisitedInsts))
5062       return false;
5063
5064     if (Kind == RK_IntegerMinMax && (isa<ICmpInst>(Cur) ||
5065                                      isa<SelectInst>(Cur)))
5066       ++NumCmpSelectPatternInst;
5067     if (Kind == RK_FloatMinMax && (isa<FCmpInst>(Cur) ||
5068                                    isa<SelectInst>(Cur)))
5069       ++NumCmpSelectPatternInst;
5070
5071     // Check  whether we found a reduction operator.
5072     FoundReduxOp |= !IsAPhi;
5073
5074     // Process users of current instruction. Push non-PHI nodes after PHI nodes
5075     // onto the stack. This way we are going to have seen all inputs to PHI
5076     // nodes once we get to them.
5077     SmallVector<Instruction *, 8> NonPHIs;
5078     SmallVector<Instruction *, 8> PHIs;
5079     for (User *U : Cur->users()) {
5080       Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
5081
5082       // Check if we found the exit user.
5083       BasicBlock *Parent = UI->getParent();
5084       if (!TheLoop->contains(Parent)) {
5085         // Exit if you find multiple outside users or if the header phi node is
5086         // being used. In this case the user uses the value of the previous
5087         // iteration, in which case we would loose "VF-1" iterations of the
5088         // reduction operation if we vectorize.
5089         if (ExitInstruction != nullptr || Cur == Phi)
5090           return false;
5091
5092         // The instruction used by an outside user must be the last instruction
5093         // before we feed back to the reduction phi. Otherwise, we loose VF-1
5094         // operations on the value.
5095         if (std::find(Phi->op_begin(), Phi->op_end(), Cur) == Phi->op_end())
5096          return false;
5097
5098         ExitInstruction = Cur;
5099         continue;
5100       }
5101
5102       // Process instructions only once (termination). Each reduction cycle
5103       // value must only be used once, except by phi nodes and min/max
5104       // reductions which are represented as a cmp followed by a select.
5105       ReductionInstDesc IgnoredVal(false, nullptr);
5106       if (VisitedInsts.insert(UI).second) {
5107         if (isa<PHINode>(UI))
5108           PHIs.push_back(UI);
5109         else
5110           NonPHIs.push_back(UI);
5111       } else if (!isa<PHINode>(UI) &&
5112                  ((!isa<FCmpInst>(UI) &&
5113                    !isa<ICmpInst>(UI) &&
5114                    !isa<SelectInst>(UI)) ||
5115                   !isMinMaxSelectCmpPattern(UI, IgnoredVal).IsReduction))
5116         return false;
5117
5118       // Remember that we completed the cycle.
5119       if (UI == Phi)
5120         FoundStartPHI = true;
5121     }
5122     Worklist.append(PHIs.begin(), PHIs.end());
5123     Worklist.append(NonPHIs.begin(), NonPHIs.end());
5124   }
5125
5126   // This means we have seen one but not the other instruction of the
5127   // pattern or more than just a select and cmp.
5128   if ((Kind == RK_IntegerMinMax || Kind == RK_FloatMinMax) &&
5129       NumCmpSelectPatternInst != 2)
5130     return false;
5131
5132   if (!FoundStartPHI || !FoundReduxOp || !ExitInstruction)
5133     return false;
5134
5135   // We found a reduction var if we have reached the original phi node and we
5136   // only have a single instruction with out-of-loop users.
5137
5138   // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
5139   AllowedExit.insert(ExitInstruction);
5140
5141   // Save the description of this reduction variable.
5142   ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind,
5143                          ReduxDesc.MinMaxKind);
5144   Reductions[Phi] = RD;
5145   // We've ended the cycle. This is a reduction variable if we have an
5146   // outside user and it has a binary op.
5147
5148   return true;
5149 }
5150
5151 /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
5152 /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
5153 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
5154 LoopVectorizationLegality::isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
5155                                                     ReductionInstDesc &Prev) {
5156
5157   assert((isa<ICmpInst>(I) || isa<FCmpInst>(I) || isa<SelectInst>(I)) &&
5158          "Expect a select instruction");
5159   Instruction *Cmp = nullptr;
5160   SelectInst *Select = nullptr;
5161
5162   // We must handle the select(cmp()) as a single instruction. Advance to the
5163   // select.
5164   if ((Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I)) || (Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I))) {
5165     if (!Cmp->hasOneUse() || !(Select = dyn_cast<SelectInst>(*I->user_begin())))
5166       return ReductionInstDesc(false, I);
5167     return ReductionInstDesc(Select, Prev.MinMaxKind);
5168   }
5169
5170   // Only handle single use cases for now.
5171   if (!(Select = dyn_cast<SelectInst>(I)))
5172     return ReductionInstDesc(false, I);
5173   if (!(Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I->getOperand(0))) &&
5174       !(Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I->getOperand(0))))
5175     return ReductionInstDesc(false, I);
5176   if (!Cmp->hasOneUse())
5177     return ReductionInstDesc(false, I);
5178
5179   Value *CmpLeft;
5180   Value *CmpRight;
5181
5182   // Look for a min/max pattern.
5183   if (m_UMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5184     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMin);
5185   else if (m_UMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5186     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMax);
5187   else if (m_SMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5188     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMax);
5189   else if (m_SMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5190     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMin);
5191   else if (m_OrdFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5192     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
5193   else if (m_OrdFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5194     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
5195   else if (m_UnordFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5196     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
5197   else if (m_UnordFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5198     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
5199
5200   return ReductionInstDesc(false, I);
5201 }
5202
5203 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
5204 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
5205                                             ReductionKind Kind,
5206                                             ReductionInstDesc &Prev) {
5207   bool FP = I->getType()->isFloatingPointTy();
5208   bool FastMath = FP && I->hasUnsafeAlgebra();
5209   switch (I->getOpcode()) {
5210   default:
5211     return ReductionInstDesc(false, I);
5212   case Instruction::PHI:
5213       if (FP && (Kind != RK_FloatMult && Kind != RK_FloatAdd &&
5214                  Kind != RK_FloatMinMax))
5215         return ReductionInstDesc(false, I);
5216     return ReductionInstDesc(I, Prev.MinMaxKind);
5217   case Instruction::Sub:
5218   case Instruction::Add:
5219     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAdd, I);
5220   case Instruction::Mul:
5221     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerMult, I);
5222   case Instruction::And:
5223     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAnd, I);
5224   case Instruction::Or:
5225     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerOr, I);
5226   case Instruction::Xor:
5227     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerXor, I);
5228   case Instruction::FMul:
5229     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatMult && FastMath, I);
5230   case Instruction::FSub:
5231   case Instruction::FAdd:
5232     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatAdd && FastMath, I);
5233   case Instruction::FCmp:
5234   case Instruction::ICmp:
5235   case Instruction::Select:
5236     if (Kind != RK_IntegerMinMax &&
5237         (!HasFunNoNaNAttr || Kind != RK_FloatMinMax))
5238       return ReductionInstDesc(false, I);
5239     return isMinMaxSelectCmpPattern(I, Prev);
5240   }
5241 }
5242
5243 LoopVectorizationLegality::InductionKind
5244 LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi) {
5245   Type *PhiTy = Phi->getType();
5246   // We only handle integer and pointer inductions variables.
5247   if (!PhiTy->isIntegerTy() && !PhiTy->isPointerTy())
5248     return IK_NoInduction;
5249
5250   // Check that the PHI is consecutive.
5251   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
5252   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
5253   if (!AR) {
5254     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
5255     return IK_NoInduction;
5256   }
5257   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
5258
5259   // Integer inductions need to have a stride of one.
5260   if (PhiTy->isIntegerTy()) {
5261     if (Step->isOne())
5262       return IK_IntInduction;
5263     if (Step->isAllOnesValue())
5264       return IK_ReverseIntInduction;
5265     return IK_NoInduction;
5266   }
5267
5268   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
5269   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
5270   if (!C)
5271     return IK_NoInduction;
5272
5273   assert(PhiTy->isPointerTy() && "The PHI must be a pointer");
5274   Type *PointerElementType = PhiTy->getPointerElementType();
5275   // The pointer stride cannot be determined if the pointer element type is not
5276   // sized.
5277   if (!PointerElementType->isSized())
5278     return IK_NoInduction;
5279
5280   uint64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PointerElementType);
5281   if (C->getValue()->equalsInt(Size))
5282     return IK_PtrInduction;
5283   else if (C->getValue()->equalsInt(0 - Size))
5284     return IK_ReversePtrInduction;
5285
5286   return IK_NoInduction;
5287 }
5288
5289 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(const Value *V) {
5290   Value *In0 = const_cast<Value*>(V);
5291   PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(In0);
5292   if (!PN)
5293     return false;
5294
5295   return Inductions.count(PN);
5296 }
5297
5298 bool LoopVectorizationLegality::blockNeedsPredication(BasicBlock *BB)  {
5299   assert(TheLoop->contains(BB) && "Unknown block used");
5300
5301   // Blocks that do not dominate the latch need predication.
5302   BasicBlock* Latch = TheLoop->getLoopLatch();
5303   return !DT->dominates(BB, Latch);
5304 }
5305
5306 bool LoopVectorizationLegality::blockCanBePredicated(BasicBlock *BB,
5307                                            SmallPtrSetImpl<Value *> &SafePtrs) {
5308   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
5309     // We might be able to hoist the load.
5310     if (it->mayReadFromMemory()) {
5311       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it);
5312       if (!LI || !SafePtrs.count(LI->getPointerOperand()))
5313         return false;
5314     }
5315
5316     // We don't predicate stores at the moment.
5317     if (it->mayWriteToMemory()) {
5318       StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(it);
5319       // We only support predication of stores in basic blocks with one
5320       // predecessor.
5321       if (!SI || ++NumPredStores > NumberOfStoresToPredicate ||
5322           !SafePtrs.count(SI->getPointerOperand()) ||
5323           !SI->getParent()->getSinglePredecessor())
5324         return false;
5325     }
5326     if (it->mayThrow())
5327       return false;
5328
5329     // Check that we don't have a constant expression that can trap as operand.
5330     for (Instruction::op_iterator OI = it->op_begin(), OE = it->op_end();
5331          OI != OE; ++OI) {
5332       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(*OI))
5333         if (C->canTrap())
5334           return false;
5335     }
5336
5337     // The instructions below can trap.
5338     switch (it->getOpcode()) {
5339     default: continue;
5340     case Instruction::UDiv:
5341     case Instruction::SDiv:
5342     case Instruction::URem:
5343     case Instruction::SRem:
5344       return false;
5345     }
5346   }
5347
5348   return true;
5349 }
5350
5351 LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor
5352 LoopVectorizationCostModel::selectVectorizationFactor(bool OptForSize) {
5353   // Width 1 means no vectorize
5354   VectorizationFactor Factor = { 1U, 0U };
5355   if (OptForSize && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need) {
5356     emitAnalysis(Report() << "runtime pointer checks needed. Enable vectorization of this loop with '#pragma clang loop vectorize(enable)' when compiling with -Os");
5357     DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. Runtime ptr check is required in Os.\n");
5358     return Factor;
5359   }
5360
5361   if (!EnableCondStoresVectorization && Legal->NumPredStores) {
5362     emitAnalysis(Report() << "store that is conditionally executed prevents vectorization");
5363     DEBUG(dbgs() << "LV: No vectorization. There are conditional stores.\n");
5364     return Factor;
5365   }
5366
5367   // Find the trip count.
5368   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
5369   DEBUG(dbgs() << "LV: Found trip count: " << TC << '\n');
5370
5371   unsigned WidestType = getWidestType();
5372   unsigned WidestRegister = TTI.getRegisterBitWidth(true);
5373   unsigned MaxSafeDepDist = -1U;
5374   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
5375     MaxSafeDepDist = Legal->getMaxSafeDepDistBytes() * 8;
5376   WidestRegister = ((WidestRegister < MaxSafeDepDist) ?
5377                     WidestRegister : MaxSafeDepDist);
5378   unsigned MaxVectorSize = WidestRegister / WidestType;
5379   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest type: " << WidestType << " bits.\n");
5380   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest register is: "
5381           << WidestRegister << " bits.\n");
5382
5383   if (MaxVectorSize == 0) {
5384     DEBUG(dbgs() << "LV: The target has no vector registers.\n");
5385     MaxVectorSize = 1;
5386   }
5387
5388   assert(MaxVectorSize <= 64 && "Did not expect to pack so many elements"
5389          " into one vector!");
5390
5391   unsigned VF = MaxVectorSize;
5392
5393   // If we optimize the program for size, avoid creating the tail loop.
5394   if (OptForSize) {
5395     // If we are unable to calculate the trip count then don't try to vectorize.
5396     if (TC < 2) {
5397       emitAnalysis(Report() << "unable to calculate the loop count due to complex control flow");
5398       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
5399       return Factor;
5400     }
5401
5402     // Find the maximum SIMD width that can fit within the trip count.
5403     VF = TC % MaxVectorSize;
5404
5405     if (VF == 0)
5406       VF = MaxVectorSize;
5407
5408     // If the trip count that we found modulo the vectorization factor is not
5409     // zero then we require a tail.
5410     if (VF < 2) {
5411       emitAnalysis(Report() << "cannot optimize for size and vectorize at the "
5412                                "same time. Enable vectorization of this loop "
5413                                "with '#pragma clang loop vectorize(enable)' "
5414                                "when compiling with -Os");
5415       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
5416       return Factor;
5417     }
5418   }
5419
5420   int UserVF = Hints->getWidth();
5421   if (UserVF != 0) {
5422     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
5423     DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF " << UserVF << ".\n");
5424
5425     Factor.Width = UserVF;
5426     return Factor;
5427   }
5428
5429   float Cost = expectedCost(1);
5430 #ifndef NDEBUG
5431   const float ScalarCost = Cost;
5432 #endif /* NDEBUG */
5433   unsigned Width = 1;
5434   DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: " << (int)ScalarCost << ".\n");
5435
5436   bool ForceVectorization = Hints->getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled;
5437   // Ignore scalar width, because the user explicitly wants vectorization.
5438   if (ForceVectorization && VF > 1) {
5439     Width = 2;
5440     Cost = expectedCost(Width) / (float)Width;
5441   }
5442
5443   for (unsigned i=2; i <= VF; i*=2) {
5444     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
5445     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
5446     // the vector elements.
5447     float VectorCost = expectedCost(i) / (float)i;
5448     DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width " << i << " costs: " <<
5449           (int)VectorCost << ".\n");
5450     if (VectorCost < Cost) {
5451       Cost = VectorCost;
5452       Width = i;
5453     }
5454   }
5455
5456   DEBUG(if (ForceVectorization && Width > 1 && Cost >= ScalarCost) dbgs()
5457         << "LV: Vectorization seems to be not beneficial, "
5458         << "but was forced by a user.\n");
5459   DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF: "<< Width << ".\n");
5460   Factor.Width = Width;
5461   Factor.Cost = Width * Cost;
5462   return Factor;
5463 }
5464
5465 unsigned LoopVectorizationCostModel::getWidestType() {
5466   unsigned MaxWidth = 8;
5467
5468   // For each block.
5469   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
5470        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
5471     BasicBlock *BB = *bb;
5472
5473     // For each instruction in the loop.
5474     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
5475       Type *T = it->getType();
5476
5477       // Ignore ephemeral values.
5478       if (EphValues.count(it))
5479         continue;
5480
5481       // Only examine Loads, Stores and PHINodes.
5482       if (!isa<LoadInst>(it) && !isa<StoreInst>(it) && !isa<PHINode>(it))
5483         continue;
5484
5485       // Examine PHI nodes that are reduction variables.
5486       if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(it))
5487         if (!Legal->getReductionVars()->count(PN))
5488           continue;
5489
5490       // Examine the stored values.
5491       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it))
5492         T = ST->getValueOperand()->getType();
5493
5494       // Ignore loaded pointer types and stored pointer types that are not
5495       // consecutive. However, we do want to take consecutive stores/loads of
5496       // pointer vectors into account.
5497       if (T->isPointerTy() && !isConsecutiveLoadOrStore(it))
5498         continue;
5499
5500       MaxWidth = std::max(MaxWidth,
5501                           (unsigned)DL->getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
5502     }
5503   }
5504
5505   return MaxWidth;
5506 }
5507
5508 unsigned
5509 LoopVectorizationCostModel::selectUnrollFactor(bool OptForSize,
5510                                                unsigned VF,
5511                                                unsigned LoopCost) {
5512
5513   // -- The unroll heuristics --
5514   // We unroll the loop in order to expose ILP and reduce the loop overhead.
5515   // There are many micro-architectural considerations that we can't predict
5516   // at this level. For example, frontend pressure (on decode or fetch) due to
5517   // code size, or the number and capabilities of the execution ports.
5518   //
5519   // We use the following heuristics to select the unroll factor:
5520   // 1. If the code has reductions, then we unroll in order to break the cross
5521   // iteration dependency.
5522   // 2. If the loop is really small, then we unroll in order to reduce the loop
5523   // overhead.
5524   // 3. We don't unroll if we think that we will spill registers to memory due
5525   // to the increased register pressure.
5526
5527   // Use the user preference, unless 'auto' is selected.
5528   int UserUF = Hints->getInterleave();
5529   if (UserUF != 0)
5530     return UserUF;
5531
5532   // When we optimize for size, we don't unroll.
5533   if (OptForSize)
5534     return 1;
5535
5536   // We used the distance for the unroll factor.
5537   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
5538     return 1;
5539
5540   // Do not unroll loops with a relatively small trip count.
5541   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
5542   if (TC > 1 && TC < TinyTripCountUnrollThreshold)
5543     return 1;
5544
5545   unsigned TargetNumRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(VF > 1);
5546   DEBUG(dbgs() << "LV: The target has " << TargetNumRegisters <<
5547         " registers\n");
5548
5549   if (VF == 1) {
5550     if (ForceTargetNumScalarRegs.getNumOccurrences() > 0)
5551       TargetNumRegisters = ForceTargetNumScalarRegs;
5552   } else {
5553     if (ForceTargetNumVectorRegs.getNumOccurrences() > 0)
5554       TargetNumRegisters = ForceTargetNumVectorRegs;
5555   }
5556
5557   LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage R = calculateRegisterUsage();
5558   // We divide by these constants so assume that we have at least one
5559   // instruction that uses at least one register.
5560   R.MaxLocalUsers = std::max(R.MaxLocalUsers, 1U);
5561   R.NumInstructions = std::max(R.NumInstructions, 1U);
5562
5563   // We calculate the unroll factor using the following formula.
5564   // Subtract the number of loop invariants from the number of available
5565   // registers. These registers are used by all of the unrolled instances.
5566   // Next, divide the remaining registers by the number of registers that is
5567   // required by the loop, in order to estimate how many parallel instances
5568   // fit without causing spills. All of this is rounded down if necessary to be
5569   // a power of two. We want power of two unroll factors to simplify any
5570   // addressing operations or alignment considerations.
5571   unsigned UF = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs) /
5572                               R.MaxLocalUsers);
5573
5574   // Don't count the induction variable as unrolled.
5575   if (EnableIndVarRegisterHeur)
5576     UF = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs - 1) /
5577                        std::max(1U, (R.MaxLocalUsers - 1)));
5578
5579   // Clamp the unroll factor ranges to reasonable factors.
5580   unsigned MaxInterleaveSize = TTI.getMaxInterleaveFactor();
5581
5582   // Check if the user has overridden the unroll max.
5583   if (VF == 1) {
5584     if (ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
5585       MaxInterleaveSize = ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor;
5586   } else {
5587     if (ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
5588       MaxInterleaveSize = ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor;
5589   }
5590
5591   // If we did not calculate the cost for VF (because the user selected the VF)
5592   // then we calculate the cost of VF here.
5593   if (LoopCost == 0)
5594     LoopCost = expectedCost(VF);
5595
5596   // Clamp the calculated UF to be between the 1 and the max unroll factor
5597   // that the target allows.
5598   if (UF > MaxInterleaveSize)
5599     UF = MaxInterleaveSize;
5600   else if (UF < 1)
5601     UF = 1;
5602
5603   // Unroll if we vectorized this loop and there is a reduction that could
5604   // benefit from unrolling.
5605   if (VF > 1 && Legal->getReductionVars()->size()) {
5606     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling because of reductions.\n");
5607     return UF;
5608   }
5609
5610   // Note that if we've already vectorized the loop we will have done the
5611   // runtime check and so unrolling won't require further checks.
5612   bool UnrollingRequiresRuntimePointerCheck =
5613       (VF == 1 && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need);
5614
5615   // We want to unroll small loops in order to reduce the loop overhead and
5616   // potentially expose ILP opportunities.
5617   DEBUG(dbgs() << "LV: Loop cost is " << LoopCost << '\n');
5618   if (!UnrollingRequiresRuntimePointerCheck &&
5619       LoopCost < SmallLoopCost) {
5620     // We assume that the cost overhead is 1 and we use the cost model
5621     // to estimate the cost of the loop and unroll until the cost of the
5622     // loop overhead is about 5% of the cost of the loop.
5623     unsigned SmallUF = std::min(UF, (unsigned)PowerOf2Floor(SmallLoopCost / LoopCost));
5624
5625     // Unroll until store/load ports (estimated by max unroll factor) are
5626     // saturated.
5627     unsigned StoresUF = UF / (Legal->NumStores ? Legal->NumStores : 1);
5628     unsigned LoadsUF = UF /  (Legal->NumLoads ? Legal->NumLoads : 1);
5629
5630     // If we have a scalar reduction (vector reductions are already dealt with
5631     // by this point), we can increase the critical path length if the loop
5632     // we're unrolling is inside another loop. Limit, by default to 2, so the
5633     // critical path only gets increased by one reduction operation.
5634     if (Legal->getReductionVars()->size() &&
5635         TheLoop->getLoopDepth() > 1) {
5636       unsigned F = static_cast<unsigned>(MaxNestedScalarReductionUF);
5637       SmallUF = std::min(SmallUF, F);
5638       StoresUF = std::min(StoresUF, F);
5639       LoadsUF = std::min(LoadsUF, F);
5640     }
5641
5642     if (EnableLoadStoreRuntimeUnroll && std::max(StoresUF, LoadsUF) > SmallUF) {
5643       DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to saturate store or load ports.\n");
5644       return std::max(StoresUF, LoadsUF);
5645     }
5646
5647     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to reduce branch cost.\n");
5648     return SmallUF;
5649   }
5650
5651   DEBUG(dbgs() << "LV: Not Unrolling.\n");
5652   return 1;
5653 }
5654
5655 LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage
5656 LoopVectorizationCostModel::calculateRegisterUsage() {
5657   // This function calculates the register usage by measuring the highest number
5658   // of values that are alive at a single location. Obviously, this is a very
5659   // rough estimation. We scan the loop in a topological order in order and
5660   // assign a number to each instruction. We use RPO to ensure that defs are
5661   // met before their users. We assume that each instruction that has in-loop
5662   // users starts an interval. We record every time that an in-loop value is
5663   // used, so we have a list of the first and last occurrences of each
5664   // instruction. Next, we transpose this data structure into a multi map that
5665   // holds the list of intervals that *end* at a specific location. This multi
5666   // map allows us to perform a linear search. We scan the instructions linearly
5667   // and record each time that a new interval starts, by placing it in a set.
5668   // If we find this value in the multi-map then we remove it from the set.
5669   // The max register usage is the maximum size of the set.
5670   // We also search for instructions that are defined outside the loop, but are
5671   // used inside the loop. We need this number separately from the max-interval
5672   // usage number because when we unroll, loop-invariant values do not take
5673   // more register.
5674   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
5675   DFS.perform(LI);
5676
5677   RegisterUsage R;
5678   R.NumInstructions = 0;
5679
5680   // Each 'key' in the map opens a new interval. The values
5681   // of the map are the index of the 'last seen' usage of the
5682   // instruction that is the key.
5683   typedef DenseMap<Instruction*, unsigned> IntervalMap;
5684   // Maps instruction to its index.
5685   DenseMap<unsigned, Instruction*> IdxToInstr;
5686   // Marks the end of each interval.
5687   IntervalMap EndPoint;
5688   // Saves the list of instruction indices that are used in the loop.
5689   SmallSet<Instruction*, 8> Ends;
5690   // Saves the list of values that are used in the loop but are
5691   // defined outside the loop, such as arguments and constants.
5692   SmallPtrSet<Value*, 8> LoopInvariants;
5693
5694   unsigned Index = 0;
5695   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
5696        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb) {
5697     R.NumInstructions += (*bb)->size();
5698     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
5699          ++it) {
5700       Instruction *I = it;
5701       IdxToInstr[Index++] = I;
5702
5703       // Save the end location of each USE.
5704       for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); ++i) {
5705         Value *U = I->getOperand(i);
5706         Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(U);
5707
5708         // Ignore non-instruction values such as arguments, constants, etc.
5709         if (!Instr) continue;
5710
5711         // If this instruction is outside the loop then record it and continue.
5712         if (!TheLoop->contains(Instr)) {
5713           LoopInvariants.insert(Instr);
5714           continue;
5715         }
5716
5717         // Overwrite previous end points.
5718         EndPoint[Instr] = Index;
5719         Ends.insert(Instr);
5720       }
5721     }
5722   }
5723
5724   // Saves the list of intervals that end with the index in 'key'.
5725   typedef SmallVector<Instruction*, 2> InstrList;
5726   DenseMap<unsigned, InstrList> TransposeEnds;
5727
5728   // Transpose the EndPoints to a list of values that end at each index.
5729   for (IntervalMap::iterator it = EndPoint.begin(), e = EndPoint.end();
5730        it != e; ++it)
5731     TransposeEnds[it->second].push_back(it->first);
5732
5733   SmallSet<Instruction*, 8> OpenIntervals;
5734   unsigned MaxUsage = 0;
5735
5736
5737   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Calculating max register usage:\n");
5738   for (unsigned int i = 0; i < Index; ++i) {
5739     Instruction *I = IdxToInstr[i];
5740     // Ignore instructions that are never used within the loop.
5741     if (!Ends.count(I)) continue;
5742
5743     // Ignore ephemeral values.
5744     if (EphValues.count(I))
5745       continue;
5746
5747     // Remove all of the instructions that end at this location.
5748     InstrList &List = TransposeEnds[i];
5749     for (unsigned int j=0, e = List.size(); j < e; ++j)
5750       OpenIntervals.erase(List[j]);
5751
5752     // Count the number of live interals.
5753     MaxUsage = std::max(MaxUsage, OpenIntervals.size());
5754
5755     DEBUG(dbgs() << "LV(REG): At #" << i << " Interval # " <<
5756           OpenIntervals.size() << '\n');
5757
5758     // Add the current instruction to the list of open intervals.
5759     OpenIntervals.insert(I);
5760   }
5761
5762   unsigned Invariant = LoopInvariants.size();
5763   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found max usage: " << MaxUsage << '\n');
5764   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found invariant usage: " << Invariant << '\n');
5765   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): LoopSize: " << R.NumInstructions << '\n');
5766
5767   R.LoopInvariantRegs = Invariant;
5768   R.MaxLocalUsers = MaxUsage;
5769   return R;
5770 }
5771
5772 unsigned LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
5773   unsigned Cost = 0;
5774
5775   // For each block.
5776   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
5777        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
5778     unsigned BlockCost = 0;
5779     BasicBlock *BB = *bb;
5780
5781     // For each instruction in the old loop.
5782     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
5783       // Skip dbg intrinsics.
5784       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
5785         continue;
5786
5787       // Ignore ephemeral values.
5788       if (EphValues.count(it))
5789         continue;
5790
5791       unsigned C = getInstructionCost(it, VF);
5792
5793       // Check if we should override the cost.
5794       if (ForceTargetInstructionCost.getNumOccurrences() > 0)
5795         C = ForceTargetInstructionCost;
5796
5797       BlockCost += C;
5798       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of " << C << " for VF " <<
5799             VF << " For instruction: " << *it << '\n');
5800     }
5801
5802     // We assume that if-converted blocks have a 50% chance of being executed.
5803     // When the code is scalar then some of the blocks are avoided due to CF.
5804     // When the code is vectorized we execute all code paths.
5805     if (VF == 1 && Legal->blockNeedsPredication(*bb))
5806       BlockCost /= 2;
5807
5808     Cost += BlockCost;
5809   }
5810
5811   return Cost;
5812 }
5813
5814 /// \brief Check whether the address computation for a non-consecutive memory
5815 /// access looks like an unlikely candidate for being merged into the indexing
5816 /// mode.
5817 ///
5818 /// We look for a GEP which has one index that is an induction variable and all
5819 /// other indices are loop invariant. If the stride of this access is also
5820 /// within a small bound we decide that this address computation can likely be
5821 /// merged into the addressing mode.
5822 /// In all other cases, we identify the address computation as complex.
5823 static bool isLikelyComplexAddressComputation(Value *Ptr,
5824                                               LoopVectorizationLegality *Legal,
5825                                               ScalarEvolution *SE,
5826                                               const Loop *TheLoop) {
5827   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
5828   if (!Gep)
5829     return true;
5830
5831   // We are looking for a gep with all loop invariant indices except for one
5832   // which should be an induction variable.
5833   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
5834   for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i) {
5835     Value *Opd = Gep->getOperand(i);
5836     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Opd), TheLoop) &&
5837         !Legal->isInductionVariable(Opd))
5838       return true;
5839   }
5840
5841   // Now we know we have a GEP ptr, %inv, %ind, %inv. Make sure that the step
5842   // can likely be merged into the address computation.
5843   unsigned MaxMergeDistance = 64;
5844
5845   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Ptr));
5846   if (!AddRec)
5847     return true;
5848
5849   // Check the step is constant.
5850   const SCEV *Step = AddRec->getStepRecurrence(*SE);
5851   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
5852   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
5853   if (!C)
5854     return true;
5855
5856   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
5857
5858   // Huge step value - give up.
5859   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
5860     return true;
5861
5862   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
5863
5864   return StepVal > MaxMergeDistance;
5865 }
5866
5867 static bool isStrideMul(Instruction *I, LoopVectorizationLegality *Legal) {
5868   if (Legal->hasStride(I->getOperand(0)) || Legal->hasStride(I->getOperand(1)))
5869     return true;
5870   return false;
5871 }
5872
5873 unsigned
5874 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
5875   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
5876   // the scalar version.
5877   if (Legal->isUniformAfterVectorization(I))
5878     VF = 1;
5879
5880   Type *RetTy = I->getType();
5881   Type *VectorTy = ToVectorTy(RetTy, VF);
5882
5883   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
5884   switch (I->getOpcode()) {
5885   case Instruction::GetElementPtr:
5886     // We mark this instruction as zero-cost because the cost of GEPs in
5887     // vectorized code depends on whether the corresponding memory instruction
5888     // is scalarized or not. Therefore, we handle GEPs with the memory
5889     // instruction cost.
5890     return 0;
5891   case Instruction::Br: {
5892     return TTI.getCFInstrCost(I->getOpcode());
5893   }
5894   case Instruction::PHI:
5895     //TODO: IF-converted IFs become selects.
5896     return 0;
5897   case Instruction::Add:
5898   case Instruction::FAdd:
5899   case Instruction::Sub:
5900   case Instruction::FSub:
5901   case Instruction::Mul:
5902   case Instruction::FMul:
5903   case Instruction::UDiv:
5904   case Instruction::SDiv:
5905   case Instruction::FDiv:
5906   case Instruction::URem:
5907   case Instruction::SRem:
5908   case Instruction::FRem:
5909   case Instruction::Shl:
5910   case Instruction::LShr:
5911   case Instruction::AShr:
5912   case Instruction::And:
5913   case Instruction::Or:
5914   case Instruction::Xor: {
5915     // Since we will replace the stride by 1 the multiplication should go away.
5916     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && isStrideMul(I, Legal))
5917       return 0;
5918     // Certain instructions can be cheaper to vectorize if they have a constant
5919     // second vector operand. One example of this are shifts on x86.
5920     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op1VK =
5921       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
5922     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op2VK =
5923       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
5924     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op1VP =
5925         TargetTransformInfo::OP_None;
5926     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op2VP =
5927         TargetTransformInfo::OP_None;
5928     Value *Op2 = I->getOperand(1);
5929
5930     // Check for a splat of a constant or for a non uniform vector of constants.
5931     if (isa<ConstantInt>(Op2)) {
5932       ConstantInt *CInt = cast<ConstantInt>(Op2);
5933       if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
5934         Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
5935       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
5936     } else if (isa<ConstantVector>(Op2) || isa<ConstantDataVector>(Op2)) {
5937       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_NonUniformConstantValue;
5938       Constant *SplatValue = cast<Constant>(Op2)->getSplatValue();
5939       if (SplatValue) {
5940         ConstantInt *CInt = dyn_cast<ConstantInt>(SplatValue);
5941         if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
5942           Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
5943         Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
5944       }
5945     }
5946
5947     return TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, Op1VK, Op2VK,
5948                                       Op1VP, Op2VP);
5949   }
5950   case Instruction::Select: {
5951     SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
5952     const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
5953     bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
5954     Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
5955     if (!ScalarCond)
5956       CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
5957
5958     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy);
5959   }
5960   case Instruction::ICmp:
5961   case Instruction::FCmp: {
5962     Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
5963     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
5964     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
5965   }
5966   case Instruction::Store:
5967   case Instruction::Load: {
5968     StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
5969     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I);
5970     Type *ValTy = (SI ? SI->getValueOperand()->getType() :
5971                    LI->getType());
5972     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
5973
5974     unsigned Alignment = SI ? SI->getAlignment() : LI->getAlignment();
5975     unsigned AS = SI ? SI->getPointerAddressSpace() :
5976       LI->getPointerAddressSpace();
5977     Value *Ptr = SI ? SI->getPointerOperand() : LI->getPointerOperand();
5978     // We add the cost of address computation here instead of with the gep
5979     // instruction because only here we know whether the operation is
5980     // scalarized.
5981     if (VF == 1)
5982       return TTI.getAddressComputationCost(VectorTy) +
5983         TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
5984
5985     // Scalarized loads/stores.
5986     int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
5987     bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
5988     unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ValTy);
5989     unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(VectorTy)/VF;
5990     if (!ConsecutiveStride || ScalarAllocatedSize != VectorElementSize) {
5991       bool IsComplexComputation =
5992         isLikelyComplexAddressComputation(Ptr, Legal, SE, TheLoop);
5993       unsigned Cost = 0;
5994       // The cost of extracting from the value vector and pointer vector.
5995       Type *PtrTy = ToVectorTy(Ptr->getType(), VF);
5996       for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
5997         //  The cost of extracting the pointer operand.
5998         Cost += TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement, PtrTy, i);
5999         // In case of STORE, the cost of ExtractElement from the vector.
6000         // In case of LOAD, the cost of InsertElement into the returned
6001         // vector.
6002         Cost += TTI.getVectorInstrCost(SI ? Instruction::ExtractElement :
6003                                             Instruction::InsertElement,
6004                                             VectorTy, i);
6005       }
6006
6007       // The cost of the scalar loads/stores.
6008       Cost += VF * TTI.getAddressComputationCost(PtrTy, IsComplexComputation);
6009       Cost += VF * TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy->getScalarType(),
6010                                        Alignment, AS);
6011       return Cost;
6012     }
6013
6014     // Wide load/stores.
6015     unsigned Cost = TTI.getAddressComputationCost(VectorTy);
6016     Cost += TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
6017
6018     if (Reverse)
6019       Cost += TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse,
6020                                   VectorTy, 0);
6021     return Cost;
6022   }
6023   case Instruction::ZExt:
6024   case Instruction::SExt:
6025   case Instruction::FPToUI:
6026   case Instruction::FPToSI:
6027   case Instruction::FPExt:
6028   case Instruction::PtrToInt:
6029   case Instruction::IntToPtr:
6030   case Instruction::SIToFP:
6031   case Instruction::UIToFP:
6032   case Instruction::Trunc:
6033   case Instruction::FPTrunc:
6034   case Instruction::BitCast: {
6035     // We optimize the truncation of induction variable.
6036     // The cost of these is the same as the scalar operation.
6037     if (I->getOpcode() == Instruction::Trunc &&
6038         Legal->isInductionVariable(I->getOperand(0)))
6039       return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), I->getType(),
6040                                   I->getOperand(0)->getType());
6041
6042     Type *SrcVecTy = ToVectorTy(I->getOperand(0)->getType(), VF);
6043     return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy);
6044   }
6045   case Instruction::Call: {
6046     CallInst *CI = cast<CallInst>(I);
6047     Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
6048     assert(ID && "Not an intrinsic call!");
6049     Type *RetTy = ToVectorTy(CI->getType(), VF);
6050     SmallVector<Type*, 4> Tys;
6051     for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i)
6052       Tys.push_back(ToVectorTy(CI->getArgOperand(i)->getType(), VF));
6053     return TTI.getIntrinsicInstrCost(ID, RetTy, Tys);
6054   }
6055   default: {
6056     // We are scalarizing the instruction. Return the cost of the scalar
6057     // instruction, plus the cost of insert and extract into vector
6058     // elements, times the vector width.
6059     unsigned Cost = 0;
6060
6061     if (!RetTy->isVoidTy() && VF != 1) {
6062       unsigned InsCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::InsertElement,
6063                                                 VectorTy);
6064       unsigned ExtCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement,
6065                                                 VectorTy);
6066
6067       // The cost of inserting the results plus extracting each one of the
6068       // operands.
6069       Cost += VF * (InsCost + ExtCost * I->getNumOperands());
6070     }
6071
6072     // The cost of executing VF copies of the scalar instruction. This opcode
6073     // is unknown. Assume that it is the same as 'mul'.
6074     Cost += VF * TTI.getArithmeticInstrCost(Instruction::Mul, VectorTy);
6075     return Cost;
6076   }
6077   }// end of switch.
6078 }
6079
6080 Type* LoopVectorizationCostModel::ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
6081   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
6082     return Scalar;
6083   return VectorType::get(Scalar, VF);
6084 }
6085
6086 char LoopVectorize::ID = 0;
6087 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
6088 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
6089 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
6090 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
6091 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionTracker)
6092 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BlockFrequencyInfo)
6093 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
6094 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
6095 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
6096 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
6097 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
6098 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
6099
6100 namespace llvm {
6101   Pass *createLoopVectorizePass(bool NoUnrolling, bool AlwaysVectorize) {
6102     return new LoopVectorize(NoUnrolling, AlwaysVectorize);
6103   }
6104 }
6105
6106 bool LoopVectorizationCostModel::isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *Inst) {
6107   // Check for a store.
6108   if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
6109     return Legal->isConsecutivePtr(ST->getPointerOperand()) != 0;
6110
6111   // Check for a load.
6112   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
6113     return Legal->isConsecutivePtr(LI->getPointerOperand()) != 0;
6114
6115   return false;
6116 }
6117
6118
6119 void InnerLoopUnroller::scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
6120                                              bool IfPredicateStore) {
6121   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
6122   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
6123   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
6124
6125   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
6126
6127   // Find all of the vectorized parameters.
6128   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
6129     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
6130
6131     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
6132     if (SrcOp == OldInduction) {
6133       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
6134       continue;
6135     }
6136
6137     // Try using previously calculated values.
6138     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
6139
6140     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
6141     // then it should already be vectorized.
6142     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
6143       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
6144       // The parameter is a vector value from earlier.
6145       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
6146     } else {
6147       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
6148       VectorParts Scalars;
6149       Scalars.append(UF, SrcOp);
6150       Params.push_back(Scalars);
6151     }
6152   }
6153
6154   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
6155          "Invalid number of operands");
6156
6157   // Does this instruction return a value ?
6158   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
6159
6160   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? nullptr :
6161   UndefValue::get(Instr->getType());
6162   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
6163   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
6164
6165   Instruction *InsertPt = Builder.GetInsertPoint();
6166   BasicBlock *IfBlock = Builder.GetInsertBlock();
6167   BasicBlock *CondBlock = nullptr;
6168
6169   VectorParts Cond;
6170   Loop *VectorLp = nullptr;
6171   if (IfPredicateStore) {
6172     assert(Instr->getParent()->getSinglePredecessor() &&
6173            "Only support single predecessor blocks");
6174     Cond = createEdgeMask(Instr->getParent()->getSinglePredecessor(),
6175                           Instr->getParent());
6176     VectorLp = LI->getLoopFor(IfBlock);
6177     assert(VectorLp && "Must have a loop for this block");
6178   }
6179
6180   // For each vector unroll 'part':
6181   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
6182     // For each scalar that we create:
6183
6184     // Start an "if (pred) a[i] = ..." block.
6185     Value *Cmp = nullptr;
6186     if (IfPredicateStore) {
6187       if (Cond[Part]->getType()->isVectorTy())
6188         Cond[Part] =
6189             Builder.CreateExtractElement(Cond[Part], Builder.getInt32(0));
6190       Cmp = Builder.CreateICmp(ICmpInst::ICMP_EQ, Cond[Part],
6191                                ConstantInt::get(Cond[Part]->getType(), 1));
6192       CondBlock = IfBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "cond.store");
6193       LoopVectorBody.push_back(CondBlock);
6194       VectorLp->addBasicBlockToLoop(CondBlock, LI->getBase());
6195       // Update Builder with newly created basic block.
6196       Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
6197     }
6198
6199     Instruction *Cloned = Instr->clone();
6200       if (!IsVoidRetTy)
6201         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
6202       // Replace the operands of the cloned instructions with extracted scalars.
6203       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
6204         Value *Op = Params[op][Part];
6205         Cloned->setOperand(op, Op);
6206       }
6207
6208       // Place the cloned scalar in the new loop.
6209       Builder.Insert(Cloned);
6210
6211       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
6212       // so that future users will be able to use it.
6213       if (!IsVoidRetTy)
6214         VecResults[Part] = Cloned;
6215
6216     // End if-block.
6217       if (IfPredicateStore) {
6218         BasicBlock *NewIfBlock = CondBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "else");
6219         LoopVectorBody.push_back(NewIfBlock);
6220         VectorLp->addBasicBlockToLoop(NewIfBlock, LI->getBase());
6221         Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
6222         Instruction *OldBr = IfBlock->getTerminator();
6223         BranchInst::Create(CondBlock, NewIfBlock, Cmp, OldBr);
6224         OldBr->eraseFromParent();
6225         IfBlock = NewIfBlock;
6226       }
6227   }
6228 }
6229
6230 void InnerLoopUnroller::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) {
6231   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
6232   bool IfPredicateStore = (SI && Legal->blockNeedsPredication(SI->getParent()));
6233
6234   return scalarizeInstruction(Instr, IfPredicateStore);
6235 }
6236
6237 Value *InnerLoopUnroller::reverseVector(Value *Vec) {
6238   return Vec;
6239 }
6240
6241 Value *InnerLoopUnroller::getBroadcastInstrs(Value *V) {
6242   return V;
6243 }
6244
6245 Value *InnerLoopUnroller::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
6246                                                bool Negate) {
6247   // When unrolling and the VF is 1, we only need to add a simple scalar.
6248   Type *ITy = Val->getType();
6249   assert(!ITy->isVectorTy() && "Val must be a scalar");
6250   Constant *C = ConstantInt::get(ITy, StartIdx, Negate);
6251   return Builder.CreateAdd(Val, C, "induction");
6252 }