rangify; NFCI
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / MachineCSE.cpp
index 9d09f608ee910e588943761777d39f5aebcf3d8e..aad376c4702b6549d33302e64e6548827073e2f2 100644 (file)
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
-#define DEBUG_TYPE "machine-cse"
 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
-#include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
-#include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
-#include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
-#include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
-#include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
 #include "llvm/ADT/ScopedHashTable.h"
+#include "llvm/ADT/SmallSet.h"
 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
-#include "llvm/Support/CommandLine.h"
+#include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
+#include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
+#include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
+#include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
 #include "llvm/Support/Debug.h"
-
+#include "llvm/Support/RecyclingAllocator.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
+#include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
+#include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
 using namespace llvm;
 
+#define DEBUG_TYPE "machine-cse"
+
 STATISTIC(NumCoalesces, "Number of copies coalesced");
 STATISTIC(NumCSEs,      "Number of common subexpression eliminated");
-STATISTIC(NumPhysCSEs,  "Number of phyreg defining common subexpr eliminated");
+STATISTIC(NumPhysCSEs,
+          "Number of physreg referencing common subexpr eliminated");
+STATISTIC(NumCrossBBCSEs,
+          "Number of cross-MBB physreg referencing CS eliminated");
+STATISTIC(NumCommutes,  "Number of copies coalesced after commuting");
 
 namespace {
   class MachineCSE : public MachineFunctionPass {
@@ -41,42 +48,52 @@ namespace {
     MachineRegisterInfo *MRI;
   public:
     static char ID; // Pass identification
-    MachineCSE() : MachineFunctionPass(ID), LookAheadLimit(5), CurrVN(0) {}
+    MachineCSE() : MachineFunctionPass(ID), LookAheadLimit(0), CurrVN(0) {
+      initializeMachineCSEPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+    }
 
-    virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
-    
-    virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
+    bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
+
+    void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
       AU.setPreservesCFG();
       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
-      AU.addRequired<AliasAnalysis>();
+      AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
       AU.addPreservedID(MachineLoopInfoID);
       AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
       AU.addPreserved<MachineDominatorTree>();
     }
 
-    virtual void releaseMemory() {
+    void releaseMemory() override {
       ScopeMap.clear();
       Exps.clear();
     }
 
   private:
-    const unsigned LookAheadLimit;
-    typedef ScopedHashTableScope<MachineInstr*, unsigned,
-                                 MachineInstrExpressionTrait> ScopeType;
+    unsigned LookAheadLimit;
+    typedef RecyclingAllocator<BumpPtrAllocator,
+        ScopedHashTableVal<MachineInstr*, unsigned> > AllocatorTy;
+    typedef ScopedHashTable<MachineInstr*, unsigned,
+        MachineInstrExpressionTrait, AllocatorTy> ScopedHTType;
+    typedef ScopedHTType::ScopeTy ScopeType;
     DenseMap<MachineBasicBlock*, ScopeType*> ScopeMap;
-    ScopedHashTable<MachineInstr*, unsigned, MachineInstrExpressionTrait> VNT;
+    ScopedHTType VNT;
     SmallVector<MachineInstr*, 64> Exps;
     unsigned CurrVN;
 
-    bool PerformTrivialCoalescing(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB);
+    bool PerformTrivialCopyPropagation(MachineInstr *MI,
+                                       MachineBasicBlock *MBB);
     bool isPhysDefTriviallyDead(unsigned Reg,
                                 MachineBasicBlock::const_iterator I,
-                                MachineBasicBlock::const_iterator E) const ;
-    bool hasLivePhysRegDefUse(const MachineInstr *MI,
-                              const MachineBasicBlock *MBB,
-                              unsigned &PhysDef) const;
-    bool PhysRegDefReaches(MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI,
-                           unsigned PhysDef) const;
+                                MachineBasicBlock::const_iterator E) const;
+    bool hasLivePhysRegDefUses(const MachineInstr *MI,
+                               const MachineBasicBlock *MBB,
+                               SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs,
+                               SmallVectorImpl<unsigned> &PhysDefs,
+                               bool &PhysUseDef) const;
+    bool PhysRegDefsReach(MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI,
+                          SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs,
+                          SmallVectorImpl<unsigned> &PhysDefs,
+                          bool &NonLocal) const;
     bool isCSECandidate(MachineInstr *MI);
     bool isProfitableToCSE(unsigned CSReg, unsigned Reg,
                            MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI);
@@ -84,50 +101,69 @@ namespace {
     void ExitScope(MachineBasicBlock *MBB);
     bool ProcessBlock(MachineBasicBlock *MBB);
     void ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
-                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren,
-                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> &ParentMap);
+                         DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren);
     bool PerformCSE(MachineDomTreeNode *Node);
   };
 } // end anonymous namespace
 
 char MachineCSE::ID = 0;
-INITIALIZE_PASS(MachineCSE, "machine-cse",
-                "Machine Common Subexpression Elimination", false, false);
-
-FunctionPass *llvm::createMachineCSEPass() { return new MachineCSE(); }
-
-bool MachineCSE::PerformTrivialCoalescing(MachineInstr *MI,
-                                          MachineBasicBlock *MBB) {
+char &llvm::MachineCSEID = MachineCSE::ID;
+INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineCSE, "machine-cse",
+                "Machine Common Subexpression Elimination", false, false)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineDominatorTree)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AAResultsWrapperPass)
+INITIALIZE_PASS_END(MachineCSE, "machine-cse",
+                "Machine Common Subexpression Elimination", false, false)
+
+/// The source register of a COPY machine instruction can be propagated to all
+/// its users, and this propagation could increase the probability of finding
+/// common subexpressions. If the COPY has only one user, the COPY itself can
+/// be removed.
+bool MachineCSE::PerformTrivialCopyPropagation(MachineInstr *MI,
+                                               MachineBasicBlock *MBB) {
   bool Changed = false;
-  for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
-    MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
+  for (MachineOperand &MO : MI->operands()) {
     if (!MO.isReg() || !MO.isUse())
       continue;
     unsigned Reg = MO.getReg();
-    if (!Reg || TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(Reg))
-      continue;
-    if (!MRI->hasOneNonDBGUse(Reg))
-      // Only coalesce single use copies. This ensure the copy will be
-      // deleted.
+    if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
       continue;
+    bool OnlyOneUse = MRI->hasOneNonDBGUse(Reg);
     MachineInstr *DefMI = MRI->getVRegDef(Reg);
-    if (DefMI->getParent() != MBB)
-      continue;
     if (!DefMI->isCopy())
       continue;
     unsigned SrcReg = DefMI->getOperand(1).getReg();
     if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(SrcReg))
       continue;
-    if (DefMI->getOperand(0).getSubReg() || DefMI->getOperand(1).getSubReg())
+    if (DefMI->getOperand(0).getSubReg())
+      continue;
+    // FIXME: We should trivially coalesce subregister copies to expose CSE
+    // opportunities on instructions with truncated operands (see
+    // cse-add-with-overflow.ll). This can be done here as follows:
+    // if (SrcSubReg)
+    //  RC = TRI->getMatchingSuperRegClass(MRI->getRegClass(SrcReg), RC,
+    //                                     SrcSubReg);
+    // MO.substVirtReg(SrcReg, SrcSubReg, *TRI);
+    //
+    // The 2-addr pass has been updated to handle coalesced subregs. However,
+    // some machine-specific code still can't handle it.
+    // To handle it properly we also need a way find a constrained subregister
+    // class given a super-reg class and subreg index.
+    if (DefMI->getOperand(1).getSubReg())
       continue;
-    if (!MRI->constrainRegClass(SrcReg, MRI->getRegClass(Reg)))
+    const TargetRegisterClass *RC = MRI->getRegClass(Reg);
+    if (!MRI->constrainRegClass(SrcReg, RC))
       continue;
     DEBUG(dbgs() << "Coalescing: " << *DefMI);
     DEBUG(dbgs() << "***     to: " << *MI);
+    // Propagate SrcReg of copies to MI.
     MO.setReg(SrcReg);
     MRI->clearKillFlags(SrcReg);
-    DefMI->eraseFromParent();
-    ++NumCoalesces;
+    // Coalesce single use copies.
+    if (OnlyOneUse) {
+      DefMI->eraseFromParent();
+      ++NumCoalesces;
+    }
     Changed = true;
   }
 
@@ -149,8 +185,9 @@ MachineCSE::isPhysDefTriviallyDead(unsigned Reg,
       return true;
 
     bool SeenDef = false;
-    for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
-      const MachineOperand &MO = I->getOperand(i);
+    for (const MachineOperand &MO : I->operands()) {
+      if (MO.isRegMask() && MO.clobbersPhysReg(Reg))
+        SeenDef = true;
       if (!MO.isReg() || !MO.getReg())
         continue;
       if (!TRI->regsOverlap(MO.getReg(), Reg))
@@ -161,7 +198,7 @@ MachineCSE::isPhysDefTriviallyDead(unsigned Reg,
       SeenDef = true;
     }
     if (SeenDef)
-      // See a def of Reg (or an alias) before encountering any use, it's 
+      // See a def of Reg (or an alias) before encountering any use, it's
       // trivially dead.
       return true;
 
@@ -171,69 +208,118 @@ MachineCSE::isPhysDefTriviallyDead(unsigned Reg,
   return false;
 }
 
-/// hasLivePhysRegDefUse - Return true if the specified instruction read / write
+/// hasLivePhysRegDefUses - Return true if the specified instruction read/write
 /// physical registers (except for dead defs of physical registers). It also
 /// returns the physical register def by reference if it's the only one and the
 /// instruction does not uses a physical register.
-bool MachineCSE::hasLivePhysRegDefUse(const MachineInstr *MI,
-                                      const MachineBasicBlock *MBB,
-                                      unsigned &PhysDef) const {
-  PhysDef = 0;
-  for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
-    const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
-    if (!MO.isReg())
+bool MachineCSE::hasLivePhysRegDefUses(const MachineInstr *MI,
+                                       const MachineBasicBlock *MBB,
+                                       SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs,
+                                       SmallVectorImpl<unsigned> &PhysDefs,
+                                       bool &PhysUseDef) const{
+  // First, add all uses to PhysRefs.
+  for (const MachineOperand &MO : MI->operands()) {
+    if (!MO.isReg() || MO.isDef())
       continue;
     unsigned Reg = MO.getReg();
     if (!Reg)
       continue;
     if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
       continue;
-    if (MO.isUse()) {
-      // Can't touch anything to read a physical register.
-      PhysDef = 0;
-      return true;
-    }
-    if (MO.isDead())
-      // If the def is dead, it's ok.
+    // Reading constant physregs is ok.
+    if (!MRI->isConstantPhysReg(Reg, *MBB->getParent()))
+      for (MCRegAliasIterator AI(Reg, TRI, true); AI.isValid(); ++AI)
+        PhysRefs.insert(*AI);
+  }
+
+  // Next, collect all defs into PhysDefs.  If any is already in PhysRefs
+  // (which currently contains only uses), set the PhysUseDef flag.
+  PhysUseDef = false;
+  MachineBasicBlock::const_iterator I = MI; I = std::next(I);
+  for (const MachineOperand &MO : MI->operands()) {
+    if (!MO.isReg() || !MO.isDef())
+      continue;
+    unsigned Reg = MO.getReg();
+    if (!Reg)
       continue;
-    // Ok, this is a physical register def that's not marked "dead". That's
+    if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
+      continue;
+    // Check against PhysRefs even if the def is "dead".
+    if (PhysRefs.count(Reg))
+      PhysUseDef = true;
+    // If the def is dead, it's ok. But the def may not marked "dead". That's
     // common since this pass is run before livevariables. We can scan
     // forward a few instructions and check if it is obviously dead.
-    if (PhysDef) {
-      // Multiple physical register defs. These are rare, forget about it.
-      PhysDef = 0;
-      return true;
-    }
-    PhysDef = Reg;
+    if (!MO.isDead() && !isPhysDefTriviallyDead(Reg, I, MBB->end()))
+      PhysDefs.push_back(Reg);
   }
 
-  if (PhysDef) {
-    MachineBasicBlock::const_iterator I = MI; I = llvm::next(I);
-    if (!isPhysDefTriviallyDead(PhysDef, I, MBB->end()))
-      return true;
-  }
-  return false;
+  // Finally, add all defs to PhysRefs as well.
+  for (unsigned i = 0, e = PhysDefs.size(); i != e; ++i)
+    for (MCRegAliasIterator AI(PhysDefs[i], TRI, true); AI.isValid(); ++AI)
+      PhysRefs.insert(*AI);
+
+  return !PhysRefs.empty();
 }
 
-bool MachineCSE::PhysRegDefReaches(MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI,
-                                  unsigned PhysDef) const {
+bool MachineCSE::PhysRegDefsReach(MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI,
+                                  SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs,
+                                  SmallVectorImpl<unsigned> &PhysDefs,
+                                  bool &NonLocal) const {
   // For now conservatively returns false if the common subexpression is
-  // not in the same basic block as the given instruction.
-  MachineBasicBlock *MBB = MI->getParent();
-  if (CSMI->getParent() != MBB)
-    return false;
-  MachineBasicBlock::const_iterator I = CSMI; I = llvm::next(I);
+  // not in the same basic block as the given instruction. The only exception
+  // is if the common subexpression is in the sole predecessor block.
+  const MachineBasicBlock *MBB = MI->getParent();
+  const MachineBasicBlock *CSMBB = CSMI->getParent();
+
+  bool CrossMBB = false;
+  if (CSMBB != MBB) {
+    if (MBB->pred_size() != 1 || *MBB->pred_begin() != CSMBB)
+      return false;
+
+    for (unsigned i = 0, e = PhysDefs.size(); i != e; ++i) {
+      if (MRI->isAllocatable(PhysDefs[i]) || MRI->isReserved(PhysDefs[i]))
+        // Avoid extending live range of physical registers if they are
+        //allocatable or reserved.
+        return false;
+    }
+    CrossMBB = true;
+  }
+  MachineBasicBlock::const_iterator I = CSMI; I = std::next(I);
   MachineBasicBlock::const_iterator E = MI;
+  MachineBasicBlock::const_iterator EE = CSMBB->end();
   unsigned LookAheadLeft = LookAheadLimit;
   while (LookAheadLeft) {
     // Skip over dbg_value's.
-    while (I != E && I->isDebugValue())
+    while (I != E && I != EE && I->isDebugValue())
       ++I;
 
+    if (I == EE) {
+      assert(CrossMBB && "Reaching end-of-MBB without finding MI?");
+      (void)CrossMBB;
+      CrossMBB = false;
+      NonLocal = true;
+      I = MBB->begin();
+      EE = MBB->end();
+      continue;
+    }
+
     if (I == E)
       return true;
-    if (I->modifiesRegister(PhysDef, TRI))
-      return false;
+
+    for (const MachineOperand &MO : I->operands()) {
+      // RegMasks go on instructions like calls that clobber lots of physregs.
+      // Don't attempt to CSE across such an instruction.
+      if (MO.isRegMask())
+        return false;
+      if (!MO.isReg() || !MO.isDef())
+        continue;
+      unsigned MOReg = MO.getReg();
+      if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MOReg))
+        continue;
+      if (PhysRefs.count(MOReg))
+        return false;
+    }
 
     --LookAheadLeft;
     ++I;
@@ -243,8 +329,8 @@ bool MachineCSE::PhysRegDefReaches(MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI,
 }
 
 bool MachineCSE::isCSECandidate(MachineInstr *MI) {
-  if (MI->isLabel() || MI->isPHI() || MI->isImplicitDef() ||
-      MI->isKill() || MI->isInlineAsm() || MI->isDebugValue())
+  if (MI->isPosition() || MI->isPHI() || MI->isImplicitDef() || MI->isKill() ||
+      MI->isInlineAsm() || MI->isDebugValue())
     return false;
 
   // Ignore copies.
@@ -252,12 +338,11 @@ bool MachineCSE::isCSECandidate(MachineInstr *MI) {
     return false;
 
   // Ignore stuff that we obviously can't move.
-  const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();  
-  if (TID.mayStore() || TID.isCall() || TID.isTerminator() ||
-      TID.hasUnmodeledSideEffects())
+  if (MI->mayStore() || MI->isCall() || MI->isTerminator() ||
+      MI->hasUnmodeledSideEffects())
     return false;
 
-  if (TID.mayLoad()) {
+  if (MI->mayLoad()) {
     // Okay, this instruction does a load. As a refinement, we allow the target
     // to decide whether the loaded value is actually a constant. If so, we can
     // actually use it as a load.
@@ -276,23 +361,40 @@ bool MachineCSE::isProfitableToCSE(unsigned CSReg, unsigned Reg,
                                    MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI) {
   // FIXME: Heuristics that works around the lack the live range splitting.
 
-  // Heuristics #1: Don't cse "cheap" computating if the def is not local or in an
-  // immediate predecessor. We don't want to increase register pressure and end up
-  // causing other computation to be spilled.
-  if (MI->getDesc().isAsCheapAsAMove()) {
+  // If CSReg is used at all uses of Reg, CSE should not increase register
+  // pressure of CSReg.
+  bool MayIncreasePressure = true;
+  if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(CSReg) &&
+      TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg)) {
+    MayIncreasePressure = false;
+    SmallPtrSet<MachineInstr*, 8> CSUses;
+    for (MachineInstr &MI : MRI->use_nodbg_instructions(CSReg)) {
+      CSUses.insert(&MI);
+    }
+    for (MachineInstr &MI : MRI->use_nodbg_instructions(Reg)) {
+      if (!CSUses.count(&MI)) {
+        MayIncreasePressure = true;
+        break;
+      }
+    }
+  }
+  if (!MayIncreasePressure) return true;
+
+  // Heuristics #1: Don't CSE "cheap" computation if the def is not local or in
+  // an immediate predecessor. We don't want to increase register pressure and
+  // end up causing other computation to be spilled.
+  if (TII->isAsCheapAsAMove(MI)) {
     MachineBasicBlock *CSBB = CSMI->getParent();
     MachineBasicBlock *BB = MI->getParent();
-    if (CSBB != BB && 
-        find(CSBB->succ_begin(), CSBB->succ_end(), BB) == CSBB->succ_end())
+    if (CSBB != BB && !CSBB->isSuccessor(BB))
       return false;
   }
 
   // Heuristics #2: If the expression doesn't not use a vr and the only use
   // of the redundant computation are copies, do not cse.
   bool HasVRegUse = false;
-  for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
-    const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
-    if (MO.isReg() && MO.isUse() && MO.getReg() &&
+  for (const MachineOperand &MO : MI->operands()) {
+    if (MO.isReg() && MO.isUse() &&
         TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
       HasVRegUse = true;
       break;
@@ -300,11 +402,9 @@ bool MachineCSE::isProfitableToCSE(unsigned CSReg, unsigned Reg,
   }
   if (!HasVRegUse) {
     bool HasNonCopyUse = false;
-    for (MachineRegisterInfo::use_nodbg_iterator I =  MRI->use_nodbg_begin(Reg),
-           E = MRI->use_nodbg_end(); I != E; ++I) {
-      MachineInstr *Use = &*I;
+    for (MachineInstr &MI : MRI->use_nodbg_instructions(Reg)) {
       // Ignore copies.
-      if (!Use->isCopyLike()) {
+      if (!MI.isCopyLike()) {
         HasNonCopyUse = true;
         break;
       }
@@ -317,11 +417,9 @@ bool MachineCSE::isProfitableToCSE(unsigned CSReg, unsigned Reg,
   // it unless the defined value is already used in the BB of the new use.
   bool HasPHI = false;
   SmallPtrSet<MachineBasicBlock*, 4> CSBBs;
-  for (MachineRegisterInfo::use_nodbg_iterator I =  MRI->use_nodbg_begin(CSReg),
-       E = MRI->use_nodbg_end(); I != E; ++I) {
-    MachineInstr *Use = &*I;
-    HasPHI |= Use->isPHI();
-    CSBBs.insert(Use->getParent());
+  for (MachineInstr &MI : MRI->use_nodbg_instructions(CSReg)) {
+    HasPHI |= MI.isPHI();
+    CSBBs.insert(MI.getParent());
   }
 
   if (!HasPHI)
@@ -339,14 +437,16 @@ void MachineCSE::ExitScope(MachineBasicBlock *MBB) {
   DEBUG(dbgs() << "Exiting: " << MBB->getName() << '\n');
   DenseMap<MachineBasicBlock*, ScopeType*>::iterator SI = ScopeMap.find(MBB);
   assert(SI != ScopeMap.end());
-  ScopeMap.erase(SI);
   delete SI->second;
+  ScopeMap.erase(SI);
 }
 
 bool MachineCSE::ProcessBlock(MachineBasicBlock *MBB) {
   bool Changed = false;
 
   SmallVector<std::pair<unsigned, unsigned>, 8> CSEPairs;
+  SmallVector<unsigned, 2> ImplicitDefsToUpdate;
+  SmallVector<unsigned, 2> ImplicitDefs;
   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB->begin(), E = MBB->end(); I != E; ) {
     MachineInstr *MI = &*I;
     ++I;
@@ -354,34 +454,59 @@ bool MachineCSE::ProcessBlock(MachineBasicBlock *MBB) {
     if (!isCSECandidate(MI))
       continue;
 
-    bool DefPhys = false;
     bool FoundCSE = VNT.count(MI);
     if (!FoundCSE) {
-      // Look for trivial copy coalescing opportunities.
-      if (PerformTrivialCoalescing(MI, MBB)) {
+      // Using trivial copy propagation to find more CSE opportunities.
+      if (PerformTrivialCopyPropagation(MI, MBB)) {
+        Changed = true;
+
         // After coalescing MI itself may become a copy.
         if (MI->isCopyLike())
           continue;
+
+        // Try again to see if CSE is possible.
         FoundCSE = VNT.count(MI);
       }
     }
-    // FIXME: commute commutable instructions?
 
-    // If the instruction defines a physical register and the value *may* be
+    // Commute commutable instructions.
+    bool Commuted = false;
+    if (!FoundCSE && MI->isCommutable()) {
+      MachineInstr *NewMI = TII->commuteInstruction(MI);
+      if (NewMI) {
+        Commuted = true;
+        FoundCSE = VNT.count(NewMI);
+        if (NewMI != MI) {
+          // New instruction. It doesn't need to be kept.
+          NewMI->eraseFromParent();
+          Changed = true;
+        } else if (!FoundCSE)
+          // MI was changed but it didn't help, commute it back!
+          (void)TII->commuteInstruction(MI);
+      }
+    }
+
+    // If the instruction defines physical registers and the values *may* be
     // used, then it's not safe to replace it with a common subexpression.
-    unsigned PhysDef = 0;
-    if (FoundCSE && hasLivePhysRegDefUse(MI, MBB, PhysDef)) {
+    // It's also not safe if the instruction uses physical registers.
+    bool CrossMBBPhysDef = false;
+    SmallSet<unsigned, 8> PhysRefs;
+    SmallVector<unsigned, 2> PhysDefs;
+    bool PhysUseDef = false;
+    if (FoundCSE && hasLivePhysRegDefUses(MI, MBB, PhysRefs,
+                                          PhysDefs, PhysUseDef)) {
       FoundCSE = false;
 
-      // ... Unless the CS is local and it also defines the physical register
-      // which is not clobbered in between.
-      if (PhysDef) {
+      // ... Unless the CS is local or is in the sole predecessor block
+      // and it also defines the physical register which is not clobbered
+      // in between and the physical register uses were not clobbered.
+      // This can never be the case if the instruction both uses and
+      // defines the same physical register, which was detected above.
+      if (!PhysUseDef) {
         unsigned CSVN = VNT.lookup(MI);
         MachineInstr *CSMI = Exps[CSVN];
-        if (PhysRegDefReaches(CSMI, MI, PhysDef)) {
+        if (PhysRegDefsReach(CSMI, MI, PhysRefs, PhysDefs, CrossMBBPhysDef))
           FoundCSE = true;
-          DefPhys = true;
-        }
       }
     }
 
@@ -399,42 +524,121 @@ bool MachineCSE::ProcessBlock(MachineBasicBlock *MBB) {
 
     // Check if it's profitable to perform this CSE.
     bool DoCSE = true;
-    unsigned NumDefs = MI->getDesc().getNumDefs();
+    unsigned NumDefs = MI->getDesc().getNumDefs() +
+                       MI->getDesc().getNumImplicitDefs();
+
     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); NumDefs && i != e; ++i) {
       MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
       if (!MO.isReg() || !MO.isDef())
         continue;
       unsigned OldReg = MO.getReg();
       unsigned NewReg = CSMI->getOperand(i).getReg();
-      if (OldReg == NewReg)
+
+      // Go through implicit defs of CSMI and MI, if a def is not dead at MI,
+      // we should make sure it is not dead at CSMI.
+      if (MO.isImplicit() && !MO.isDead() && CSMI->getOperand(i).isDead())
+        ImplicitDefsToUpdate.push_back(i);
+
+      // Keep track of implicit defs of CSMI and MI, to clear possibly
+      // made-redundant kill flags.
+      if (MO.isImplicit() && !MO.isDead() && OldReg == NewReg)
+        ImplicitDefs.push_back(OldReg);
+
+      if (OldReg == NewReg) {
+        --NumDefs;
         continue;
+      }
+
       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(OldReg) &&
              TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(NewReg) &&
              "Do not CSE physical register defs!");
+
       if (!isProfitableToCSE(NewReg, OldReg, CSMI, MI)) {
+        DEBUG(dbgs() << "*** Not profitable, avoid CSE!\n");
+        DoCSE = false;
+        break;
+      }
+
+      // Don't perform CSE if the result of the old instruction cannot exist
+      // within the register class of the new instruction.
+      const TargetRegisterClass *OldRC = MRI->getRegClass(OldReg);
+      if (!MRI->constrainRegClass(NewReg, OldRC)) {
+        DEBUG(dbgs() << "*** Not the same register class, avoid CSE!\n");
         DoCSE = false;
         break;
       }
+
       CSEPairs.push_back(std::make_pair(OldReg, NewReg));
       --NumDefs;
     }
 
     // Actually perform the elimination.
     if (DoCSE) {
-      for (unsigned i = 0, e = CSEPairs.size(); i != e; ++i) {
-        MRI->replaceRegWith(CSEPairs[i].first, CSEPairs[i].second);
-        MRI->clearKillFlags(CSEPairs[i].second);
+      for (std::pair<unsigned, unsigned> &CSEPair : CSEPairs) {
+        unsigned OldReg = CSEPair.first;
+        unsigned NewReg = CSEPair.second;
+        // OldReg may have been unused but is used now, clear the Dead flag
+        MachineInstr *Def = MRI->getUniqueVRegDef(NewReg);
+        assert(Def != nullptr && "CSEd register has no unique definition?");
+        Def->clearRegisterDeads(NewReg);
+        // Replace with NewReg and clear kill flags which may be wrong now.
+        MRI->replaceRegWith(OldReg, NewReg);
+        MRI->clearKillFlags(NewReg);
+      }
+
+      // Go through implicit defs of CSMI and MI, if a def is not dead at MI,
+      // we should make sure it is not dead at CSMI.
+      for (unsigned ImplicitDefToUpdate : ImplicitDefsToUpdate)
+        CSMI->getOperand(ImplicitDefToUpdate).setIsDead(false);
+
+      // Go through implicit defs of CSMI and MI, and clear the kill flags on
+      // their uses in all the instructions between CSMI and MI.
+      // We might have made some of the kill flags redundant, consider:
+      //   subs  ... %NZCV<imp-def>        <- CSMI
+      //   csinc ... %NZCV<imp-use,kill>   <- this kill flag isn't valid anymore
+      //   subs  ... %NZCV<imp-def>        <- MI, to be eliminated
+      //   csinc ... %NZCV<imp-use,kill>
+      // Since we eliminated MI, and reused a register imp-def'd by CSMI
+      // (here %NZCV), that register, if it was killed before MI, should have
+      // that kill flag removed, because it's lifetime was extended.
+      if (CSMI->getParent() == MI->getParent()) {
+        for (MachineBasicBlock::iterator II = CSMI, IE = MI; II != IE; ++II)
+          for (auto ImplicitDef : ImplicitDefs)
+            if (MachineOperand *MO = II->findRegisterUseOperand(
+                    ImplicitDef, /*isKill=*/true, TRI))
+              MO->setIsKill(false);
+      } else {
+        // If the instructions aren't in the same BB, bail out and clear the
+        // kill flag on all uses of the imp-def'd register.
+        for (auto ImplicitDef : ImplicitDefs)
+          MRI->clearKillFlags(ImplicitDef);
       }
+
+      if (CrossMBBPhysDef) {
+        // Add physical register defs now coming in from a predecessor to MBB
+        // livein list.
+        while (!PhysDefs.empty()) {
+          unsigned LiveIn = PhysDefs.pop_back_val();
+          if (!MBB->isLiveIn(LiveIn))
+            MBB->addLiveIn(LiveIn);
+        }
+        ++NumCrossBBCSEs;
+      }
+
       MI->eraseFromParent();
       ++NumCSEs;
-      if (DefPhys)
+      if (!PhysRefs.empty())
         ++NumPhysCSEs;
+      if (Commuted)
+        ++NumCommutes;
+      Changed = true;
     } else {
-      DEBUG(dbgs() << "*** Not profitable, avoid CSE!\n");
       VNT.insert(MI, CurrVN++);
       Exps.push_back(MI);
     }
     CSEPairs.clear();
+    ImplicitDefsToUpdate.clear();
+    ImplicitDefs.clear();
   }
 
   return Changed;
@@ -445,8 +649,7 @@ bool MachineCSE::ProcessBlock(MachineBasicBlock *MBB) {
 /// up the dominator tree to destroy ancestors which are now done.
 void
 MachineCSE::ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
-                DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren,
-                DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> &ParentMap) {
+                        DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren) {
   if (OpenChildren[Node])
     return;
 
@@ -454,7 +657,7 @@ MachineCSE::ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
   ExitScope(Node->getBlock());
 
   // Now traverse upwards to pop ancestors whose offsprings are all done.
-  while (MachineDomTreeNode *Parent = ParentMap[Node]) {
+  while (MachineDomTreeNode *Parent = Node->getIDom()) {
     unsigned Left = --OpenChildren[Parent];
     if (Left != 0)
       break;
@@ -466,7 +669,6 @@ MachineCSE::ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
 bool MachineCSE::PerformCSE(MachineDomTreeNode *Node) {
   SmallVector<MachineDomTreeNode*, 32> Scopes;
   SmallVector<MachineDomTreeNode*, 8> WorkList;
-  DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> ParentMap;
   DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> OpenChildren;
 
   CurrVN = 0;
@@ -477,34 +679,33 @@ bool MachineCSE::PerformCSE(MachineDomTreeNode *Node) {
     Node = WorkList.pop_back_val();
     Scopes.push_back(Node);
     const std::vector<MachineDomTreeNode*> &Children = Node->getChildren();
-    unsigned NumChildren = Children.size();
-    OpenChildren[Node] = NumChildren;
-    for (unsigned i = 0; i != NumChildren; ++i) {
-      MachineDomTreeNode *Child = Children[i];
-      ParentMap[Child] = Node;
+    OpenChildren[Node] = Children.size();
+    for (MachineDomTreeNode *Child : Children)
       WorkList.push_back(Child);
-    }
   } while (!WorkList.empty());
 
   // Now perform CSE.
   bool Changed = false;
-  for (unsigned i = 0, e = Scopes.size(); i != e; ++i) {
-    MachineDomTreeNode *Node = Scopes[i];
+  for (MachineDomTreeNode *Node : Scopes) {
     MachineBasicBlock *MBB = Node->getBlock();
     EnterScope(MBB);
     Changed |= ProcessBlock(MBB);
     // If it's a leaf node, it's done. Traverse upwards to pop ancestors.
-    ExitScopeIfDone(Node, OpenChildren, ParentMap);
+    ExitScopeIfDone(Node, OpenChildren);
   }
 
   return Changed;
 }
 
 bool MachineCSE::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
-  TII = MF.getTarget().getInstrInfo();
-  TRI = MF.getTarget().getRegisterInfo();
+  if (skipOptnoneFunction(*MF.getFunction()))
+    return false;
+
+  TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
+  TRI = MF.getSubtarget().getRegisterInfo();
   MRI = &MF.getRegInfo();
-  AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
+  AA = &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults();
   DT = &getAnalysis<MachineDominatorTree>();
+  LookAheadLimit = TII->getMachineCSELookAheadLimit();
   return PerformCSE(DT->getRootNode());
 }