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