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[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
index 577a143e9a01353a2076d2feb10db71836fc5531..0da37469505b1140d795e49358f425a85e0d4a0c 100644 (file)
 
 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
-#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
-#include "llvm/Constants.h"
-#include "llvm/DerivedTypes.h"
-#include "llvm/Function.h"
-#include "llvm/Instructions.h"
-#include "llvm/IntrinsicInst.h"
-#include "llvm/Pass.h"
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
+#include "llvm/ADT/STLExtras.h"
+#include "llvm/ADT/SetVector.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
+#include "llvm/IR/Constants.h"
+#include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
+#include "llvm/IR/Function.h"
+#include "llvm/IR/IRBuilder.h"
+#include "llvm/IR/Instructions.h"
+#include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
+#include "llvm/Pass.h"
 #include "llvm/Support/CFG.h"
-#include "llvm/Support/IRBuilder.h"
 #include "llvm/Support/Debug.h"
 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
-#include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
-#include "llvm/ADT/STLExtras.h"
-#include "llvm/ADT/Statistic.h"
-#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
 #include <algorithm>
 using namespace llvm;
 
-STATISTIC(NumLinear , "Number of insts linearized");
 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
@@ -116,8 +116,7 @@ namespace {
   class Reassociate : public FunctionPass {
     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
-    SmallVector<WeakVH, 8> RedoInsts;
-    SmallVector<WeakVH, 8> DeadInsts;
+    SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
     bool MadeChange;
   public:
     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
@@ -133,9 +132,8 @@ namespace {
   private:
     void BuildRankMap(Function &F);
     unsigned getRank(Value *V);
-    Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
-    void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
-                         unsigned Idx = 0);
+    void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
+    void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
@@ -144,12 +142,9 @@ namespace {
     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
-    void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
-    void LinearizeExpr(BinaryOperator *I);
     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
-    void ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI);
-
-    void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
+    void EraseInst(Instruction *I);
+    void OptimizeInst(Instruction *I);
   };
 }
 
@@ -160,21 +155,18 @@ INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
 // Public interface to the Reassociate pass
 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
 
-void Reassociate::RemoveDeadBinaryOp(Value *V) {
-  Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(V);
-  if (!Op || !isa<BinaryOperator>(Op))
-    return;
-
-  Value *LHS = Op->getOperand(0), *RHS = Op->getOperand(1);
-
-  ValueRankMap.erase(Op);
-  DeadInsts.push_back(Op);
-  RemoveDeadBinaryOp(LHS);
-  RemoveDeadBinaryOp(RHS);
+/// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
+/// opcode and if it only has one use.
+static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
+  if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
+      cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
+    return cast<BinaryOperator>(V);
+  return 0;
 }
 
 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
+      I->getOpcode() == Instruction::LandingPad ||
       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
@@ -243,197 +235,519 @@ unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
   return ValueRankMap[I] = Rank;
 }
 
-/// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
-/// opcode and if it only has one use.
-static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
-  if ((V->hasOneUse() || V->use_empty()) && isa<Instruction>(V) &&
-      cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
-    return cast<BinaryOperator>(V);
-  return 0;
-}
-
 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
 ///
-static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg,
-                         DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
+static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
 
-  Instruction *Res = BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
-  ValueRankMap.erase(Neg);
+  BinaryOperator *Res =
+    BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
+  Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Neg->getType())); // Drop use of op.
   Res->takeName(Neg);
   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
-  Neg->eraseFromParent();
   return Res;
 }
 
-// Given an expression of the form '(A+B)+(D+C)', turn it into '(((A+B)+C)+D)'.
-// Note that if D is also part of the expression tree that we recurse to
-// linearize it as well.  Besides that case, this does not recurse into A,B, or
-// C.
-void Reassociate::LinearizeExpr(BinaryOperator *I) {
-  BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
-  BinaryOperator *RHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(1));
-  assert(isReassociableOp(LHS, I->getOpcode()) &&
-         isReassociableOp(RHS, I->getOpcode()) &&
-         "Not an expression that needs linearization?");
-
-  DEBUG(dbgs() << "Linear" << *LHS << '\n' << *RHS << '\n' << *I << '\n');
-
-  // Move the RHS instruction to live immediately before I, avoiding breaking
-  // dominator properties.
-  RHS->moveBefore(I);
-
-  // Move operands around to do the linearization.
-  I->setOperand(1, RHS->getOperand(0));
-  RHS->setOperand(0, LHS);
-  I->setOperand(0, RHS);
-
-  // Conservatively clear all the optional flags, which may not hold
-  // after the reassociation.
-  I->clearSubclassOptionalData();
-  LHS->clearSubclassOptionalData();
-  RHS->clearSubclassOptionalData();
-
-  ++NumLinear;
-  MadeChange = true;
-  DEBUG(dbgs() << "Linearized: " << *I << '\n');
-
-  // If D is part of this expression tree, tail recurse.
-  if (isReassociableOp(I->getOperand(1), I->getOpcode()))
-    LinearizeExpr(I);
+/// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
+/// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
+/// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
+/// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
+/// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
+static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
+  if (Bitwidth < 3)
+    return Bitwidth - 1;
+  return Bitwidth - 2;
+}
+
+/// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
+/// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
+/// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
+/// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
+/// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
+/// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
+/// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
+static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
+  // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
+  // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
+  // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
+  // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
+  // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
+  // weight back into range if wrapping would be wrong.
+
+  // If RHS is zero then the weight didn't change.
+  if (RHS.isMinValue())
+    return;
+  // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
+  if (LHS.isMinValue()) {
+    LHS = RHS;
+    return;
+  }
+  // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
+
+  if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
+    // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
+    // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
+    // not a problem.
+    assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
+    return; // Return a weight of 1.
+  }
+  if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
+    // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
+    assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
+    LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
+    return;
+  }
+  if (Opcode == Instruction::Add) {
+    // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
+    LHS += RHS;
+    return;
+  }
+
+  assert(Opcode == Instruction::Mul && "Unknown associative operation!");
+  unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
+  // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
+  // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
+  // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
+  // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
+  // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
+  // which by a happy accident means that they can always be represented using
+  // Bitwidth bits.
+  // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
+  // the Carmichael number).
+  if (Bitwidth > 3) {
+    /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
+    APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
+    // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
+    APInt Threshold = CM + Bitwidth;
+    assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
+    // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
+    LHS += RHS;
+    while (LHS.uge(Threshold))
+      LHS -= CM;
+  } else {
+    // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
+    // a larger type.
+    unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
+    unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
+    assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
+           "Weights not reduced!");
+    unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
+    while (Total >= Threshold)
+      Total -= CM;
+    LHS = Total;
+  }
 }
 
-/// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression tree, traverse
-/// all of the uses putting it into canonical form.  This forces a left-linear
-/// form of the expression (((a+b)+c)+d), and collects information about the
-/// rank of the non-tree operands.
+typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
+
+/// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
+/// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
+/// original expression is the same as
+///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
+/// op
+///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
+/// op
+///   ...
+/// op
+///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
+///
+/// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
+///
+/// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
+/// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
+/// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
+/// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
+/// or use RewriteExprTree to put the values back in.
+///
+/// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
+/// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
+/// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
+/// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
+/// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
+/// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
+/// use is a non-leaf node of the expression.
+///
+/// For example:
+///           expression graph        node names
+///
+///                     +        |        I
+///                    / \       |
+///                   +   +      |      A,  B
+///                  / \ / \     |
+///                 *   +   *    |    C,  D,  E
+///                / \ / \ / \   |
+///                   +   *      |      F,  G
+///
+/// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
+/// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
+///
+/// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
+/// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
+/// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
+/// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
+///
+/// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
+/// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
+/// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
+/// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
+/// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
+/// made a change by returning 'true'.
+///
+/// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
+/// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
+///
+///                     +        |        I
+///                    / \       |
+///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
+///                  / \   \     |
+///                 *   +   *    |    C,  D,  E
+///                / \ / \ / \   |
+///                   +   *      |      F,  G
 ///
-/// NOTE: These intentionally destroys the expression tree operands (turning
-/// them into undef values) to reduce #uses of the values.  This means that the
-/// caller MUST use something like RewriteExprTree to put the values back in.
+/// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
+/// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
+/// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
+/// which requires passing through a phi node.
 ///
-void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
-                                    SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
-  Value *LHS = I->getOperand(0), *RHS = I->getOperand(1);
+/// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
+/// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
+/// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
+/// type and thus make the expression bigger.
+
+static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
+                              SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
+  DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
+  unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
   unsigned Opcode = I->getOpcode();
+  assert(Instruction::isAssociative(Opcode) &&
+         Instruction::isCommutative(Opcode) &&
+         "Expected an associative and commutative operation!");
+
+  // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
+  // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
+  // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
+  // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
+  // while A has weight two.
+
+  // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
+  // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
+  // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
+  // ways to get to it.
+  SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
+  Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
+  bool MadeChange = false;
+
+  // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
+  // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
+  // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
+  // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
+  // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
+  // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
+  // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
+  // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
+  // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
+  // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
+  // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
+  // are explored.
+
+  // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
+  // paths to each leaf seen so far.
+  typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
+  LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
+  SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
 
-  // First step, linearize the expression if it is in ((A+B)+(C+D)) form.
-  BinaryOperator *LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
-  BinaryOperator *RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
+#ifndef NDEBUG
+  SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
+#endif
+  while (!Worklist.empty()) {
+    std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
+    I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
+
+    for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
+      Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
+      APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
+      DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
+      assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
+
+      // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
+      // add its operands to the expression.
+      if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
+        assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
+        DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
+        Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
+        continue;
+      }
 
-  // If this is a multiply expression tree and it contains internal negations,
-  // transform them into multiplies by -1 so they can be reassociated.
-  if (I->getOpcode() == Instruction::Mul) {
-    if (!LHSBO && LHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(LHS)) {
-      LHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(LHS), ValueRankMap);
-      LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
-    }
-    if (!RHSBO && RHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(RHS)) {
-      RHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(RHS), ValueRankMap);
-      RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
-    }
-  }
+      // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
+      LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
+      if (It == Leaves.end()) {
+        // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
+        assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
+        if (!Op->hasOneUse()) {
+          // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
+          // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
+          DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
+          LeafOrder.push_back(Op);
+          Leaves[Op] = Weight;
+          continue;
+        }
+        // No uses outside the expression, try morphing it.
+      } else if (It != Leaves.end()) {
+        // Already in the leaf map.
+        assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
+
+        // Update the number of paths to the leaf.
+        IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
+
+#if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
+        // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
+        // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
+        assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
+        I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
+        MadeChange = true;
 
-  if (!LHSBO) {
-    if (!RHSBO) {
-      // Neither the LHS or RHS as part of the tree, thus this is a leaf.  As
-      // such, just remember these operands and their rank.
-      Ops.push_back(ValueEntry(getRank(LHS), LHS));
-      Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
+        // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
+        // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
+        // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
+        // its operands to the expression.
+        if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
+          DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
+          Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
+          Leaves.erase(It);
+          continue;
+        }
+#endif
 
-      // Clear the leaves out.
-      I->setOperand(0, UndefValue::get(I->getType()));
-      I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
-      return;
-    }
+        // If we still have uses that are not accounted for by the expression
+        // then it is not safe to modify the value.
+        if (!Op->hasOneUse())
+          continue;
 
-    // Turn X+(Y+Z) -> (Y+Z)+X
-    std::swap(LHSBO, RHSBO);
-    std::swap(LHS, RHS);
-    bool Success = !I->swapOperands();
-    assert(Success && "swapOperands failed");
-    (void)Success;
-    MadeChange = true;
-  } else if (RHSBO) {
-    // Turn (A+B)+(C+D) -> (((A+B)+C)+D).  This guarantees the RHS is not
-    // part of the expression tree.
-    LinearizeExpr(I);
-    LHS = LHSBO = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
-    RHS = I->getOperand(1);
-    RHSBO = 0;
-  }
+        // No uses outside the expression, try morphing it.
+        Weight = It->second;
+        Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
+      }
 
-  // Okay, now we know that the LHS is a nested expression and that the RHS is
-  // not.  Perform reassociation.
-  assert(!isReassociableOp(RHS, Opcode) && "LinearizeExpr failed!");
+      // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
+      // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
+      // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
+      // can usefully morph it into an expression of the right kind.
+      assert((!isa<Instruction>(Op) ||
+              cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
+             "Should have been handled above!");
+      assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
+
+      // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
+      // multiplies by -1 so they can be reassociated.
+      BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op);
+      if (Opcode == Instruction::Mul && BO && BinaryOperator::isNeg(BO)) {
+        DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
+        BO = LowerNegateToMultiply(BO);
+        DEBUG(dbgs() << *BO << 'n');
+        Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
+        MadeChange = true;
+        continue;
+      }
 
-  // Move LHS right before I to make sure that the tree expression dominates all
-  // values.
-  LHSBO->moveBefore(I);
+      // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
+      // a leaf.
+      DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
+      assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
+      LeafOrder.push_back(Op);
+      Leaves[Op] = Weight;
+    }
+  }
 
-  // Linearize the expression tree on the LHS.
-  LinearizeExprTree(LHSBO, Ops);
+  // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
+  // form of the expression.
+  for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
+    Value *V = LeafOrder[i];
+    LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
+    if (It == Leaves.end())
+      // Node initially thought to be a leaf wasn't.
+      continue;
+    assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
+    APInt Weight = It->second;
+    if (Weight.isMinValue())
+      // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
+      continue;
+    // Ensure the leaf is only output once.
+    It->second = 0;
+    Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
+  }
 
-  // Remember the RHS operand and its rank.
-  Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
+  // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
+  // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
+  // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
+  if (Ops.empty()) {
+    Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
+    assert(Identity && "Associative operation without identity!");
+    Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
+  }
 
-  // Clear the RHS leaf out.
-  I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
+  return MadeChange;
 }
 
 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
-// linearized and optimized, emit them in-order.  This function is written to be
-// tail recursive.
+// linearized and optimized, emit them in-order.
 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
-                                  SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
-                                  unsigned i) {
-  if (i+2 == Ops.size()) {
-    if (I->getOperand(0) != Ops[i].Op ||
-        I->getOperand(1) != Ops[i+1].Op) {
-      Value *OldLHS = I->getOperand(0);
-      DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
-      I->setOperand(0, Ops[i].Op);
-      I->setOperand(1, Ops[i+1].Op);
-
-      // Clear all the optional flags, which may not hold after the
-      // reassociation if the expression involved more than just this operation.
-      if (Ops.size() != 2)
-        I->clearSubclassOptionalData();
-
-      DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
+                                  SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
+
+  // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
+  // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
+  // from the original expression tree, without creating any new instructions,
+  // though the rewritten expression may have a completely different topology.
+  // We take care to not change anything if the new expression will be the same
+  // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
+  // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
+  // nsw flags.
+
+  /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
+  /// the new expression into.
+  SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
+  unsigned Opcode = I->getOpcode();
+  BinaryOperator *Op = I;
+
+  /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
+  /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
+  /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
+  /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
+  /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
+  /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
+  /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
+  /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
+  /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
+  /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
+  SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
+    NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
+
+  // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
+  // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
+  // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
+  BinaryOperator *ExpressionChanged = 0;
+  for (unsigned i = 0; ; ++i) {
+    // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
+    // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
+    // a subexpression.
+    if (i+2 == Ops.size()) {
+      Value *NewLHS = Ops[i].Op;
+      Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
+      Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
+      Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
+
+      if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
+        // Nothing changed, leave it alone.
+        break;
+
+      if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
+        // The order of the operands was reversed.  Swap them.
+        DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
+        Op->swapOperands();
+        DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
+        MadeChange = true;
+        ++NumChanged;
+        break;
+      }
+
+      // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
+      // the old operands with the new ones.
+      DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
+      if (NewLHS != OldLHS) {
+        BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
+        if (BO && !NotRewritable.count(BO))
+          NodesToRewrite.push_back(BO);
+        Op->setOperand(0, NewLHS);
+      }
+      if (NewRHS != OldRHS) {
+        BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
+        if (BO && !NotRewritable.count(BO))
+          NodesToRewrite.push_back(BO);
+        Op->setOperand(1, NewRHS);
+      }
+      DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
+
+      ExpressionChanged = Op;
       MadeChange = true;
       ++NumChanged;
 
-      // If we reassociated a tree to fewer operands (e.g. (1+a+2) -> (a+3)
-      // delete the extra, now dead, nodes.
-      RemoveDeadBinaryOp(OldLHS);
+      break;
     }
-    return;
-  }
-  assert(i+2 < Ops.size() && "Ops index out of range!");
 
-  if (I->getOperand(1) != Ops[i].Op) {
-    DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
-    I->setOperand(1, Ops[i].Op);
+    // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
+    // while the right-hand side will be the current element of Ops.
+    Value *NewRHS = Ops[i].Op;
+    if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
+      DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
+      if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
+        // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
+        // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
+        Op->swapOperands();
+      } else {
+        // Overwrite with the new right-hand side.
+        BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
+        if (BO && !NotRewritable.count(BO))
+          NodesToRewrite.push_back(BO);
+        Op->setOperand(1, NewRHS);
+        ExpressionChanged = Op;
+      }
+      DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
+      MadeChange = true;
+      ++NumChanged;
+    }
 
-    // Conservatively clear all the optional flags, which may not hold
-    // after the reassociation.
-    I->clearSubclassOptionalData();
+    // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
+    // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
+    // into it.
+    BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
+    if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
+      Op = BO;
+      continue;
+    }
 
-    DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
+    // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
+    // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
+    // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
+    // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
+    // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
+    // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
+    // stupid, create a new node if there are none left.
+    BinaryOperator *NewOp;
+    if (NodesToRewrite.empty()) {
+      Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
+      NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
+                                     Undef, Undef, "", I);
+    } else {
+      NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
+    }
+
+    DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
+    Op->setOperand(0, NewOp);
+    DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
+    ExpressionChanged = Op;
     MadeChange = true;
     ++NumChanged;
+    Op = NewOp;
   }
 
-  BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
-  assert(LHS->getOpcode() == I->getOpcode() &&
-         "Improper expression tree!");
-
-  // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
-  // that the expression tree is dominated by all of Ops.
-  LHS->moveBefore(I);
-  RewriteExprTree(LHS, Ops, i+1);
+  // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
+  // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
+  // the operators to just before the expression root to guarantee that the
+  // expression tree is dominated by all of Ops.
+  if (ExpressionChanged)
+    do {
+      ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
+      if (ExpressionChanged == I)
+        break;
+      ExpressionChanged->moveBefore(I);
+      ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->use_begin());
+    } while (1);
+
+  // Throw away any left over nodes from the original expression.
+  for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
+    RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
 }
 
 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
@@ -453,21 +767,20 @@ static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
   //
-  if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
-    if (I->getOpcode() == Instruction::Add && I->hasOneUse()) {
-      // Push the negates through the add.
-      I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
-      I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
-
-      // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
-      // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
-      // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
-      // instruction we are about to insert after them.
-      //
-      I->moveBefore(BI);
-      I->setName(I->getName()+".neg");
-      return I;
-    }
+  if (BinaryOperator *I = isReassociableOp(V, Instruction::Add)) {
+    // Push the negates through the add.
+    I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
+    I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
+
+    // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
+    // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
+    // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
+    // instruction we are about to insert after them.
+    //
+    I->moveBefore(BI);
+    I->setName(I->getName()+".neg");
+    return I;
+  }
 
   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
@@ -532,8 +845,7 @@ static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
 /// reassociation.
-static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
-                         DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
+static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
   // instructions to be commuted with other add instructions.
   //
@@ -541,15 +853,15 @@ static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
   //
   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
-  Instruction *New =
+  BinaryOperator *New =
     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
+  Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
+  Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
   New->takeName(Sub);
 
   // Everyone now refers to the add instruction.
-  ValueRankMap.erase(Sub);
   Sub->replaceAllUsesWith(New);
   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
-  Sub->eraseFromParent();
 
   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
   return New;
@@ -558,27 +870,17 @@ static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
 /// reassociation.
-static Instruction *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl,
-                         DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
-  // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
-  // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
-  if (isReassociableOp(Shl->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
-      (Shl->hasOneUse() &&
-       (isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Mul) ||
-        isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Add)))) {
-    Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
-    MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
-
-    Instruction *Mul =
-      BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
-    ValueRankMap.erase(Shl);
-    Mul->takeName(Shl);
-    Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
-    Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
-    Shl->eraseFromParent();
-    return Mul;
-  }
-  return 0;
+static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
+  Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
+  MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
+
+  BinaryOperator *Mul =
+    BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
+  Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
+  Mul->takeName(Shl);
+  Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
+  Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
+  return Mul;
 }
 
 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
@@ -618,8 +920,15 @@ Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
   if (!BO) return 0;
 
+  SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
+  MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
-  LinearizeExprTree(BO, Factors);
+  Factors.reserve(Tree.size());
+  for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
+    RepeatedValue E = Tree[i];
+    Factors.append(E.second.getZExtValue(),
+                   ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
+  }
 
   bool FoundFactor = false;
   bool NeedsNegate = false;
@@ -651,8 +960,7 @@ Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
   // remaining operand.
   if (Factors.size() == 1) {
-    ValueRankMap.erase(BO);
-    DeadInsts.push_back(BO);
+    RedoInsts.insert(BO);
     V = Factors[0].Op;
   } else {
     RewriteExprTree(BO, Factors);
@@ -671,31 +979,16 @@ Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
-                                       const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
-                                         bool IsRoot) {
-  BinaryOperator *BO;
-  if (!(V->hasOneUse() || V->use_empty()) || // More than one use.
-      !(BO = dyn_cast<BinaryOperator>(V)) ||
-      BO->getOpcode() != Instruction::Mul) {
+                                       const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
+  if (!BO) {
     Factors.push_back(V);
     return;
   }
 
-  // If this value has a single use because it is another input to the add
-  // tree we're reassociating and we dropped its use, it actually has two
-  // uses and we can't factor it.
-  if (!IsRoot) {
-    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
-      if (Ops[i].Op == V) {
-        Factors.push_back(V);
-        return;
-      }
-  }
-
-
   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
-  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops, false);
-  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops, false);
+  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
+  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
 }
 
 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
@@ -781,7 +1074,7 @@ Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
-      RedoInsts.push_back(Mul);
+      RedoInsts.insert(cast<Instruction>(Mul));
 
       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
       if (Ops.empty())
@@ -833,13 +1126,13 @@ Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
   unsigned MaxOcc = 0;
   Value *MaxOccVal = 0;
   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-    BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
-    if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
+    BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
+    if (!BOp)
       continue;
 
     // Compute all of the factors of this added value.
     SmallVector<Value*, 8> Factors;
-    FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops, true);
+    FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
 
     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
@@ -879,8 +1172,8 @@ Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
-      BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
-      if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
+      BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
+      if (!BOp)
         continue;
 
       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
@@ -908,14 +1201,15 @@ Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
     (void)NumAddedValues;
-    V = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V));
+    if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
+      RedoInsts.insert(VI);
 
     // Create the multiply.
-    Value *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
+    Instruction *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
 
     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
-    V2 = ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V2));
+    RedoInsts.insert(V2);
 
     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
@@ -957,34 +1251,21 @@ namespace {
 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
+  // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
+  // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
   unsigned FactorPowerSum = 0;
-  DenseMap<Value *, unsigned> FactorCounts;
-  for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 0, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
-    // Note that 'use_empty' uses means the only use is in the linearized tree
-    // represented by Ops -- we remove the values from the actual operations to
-    // reduce their use count.
-    if (!Ops[Idx].Op->use_empty()) {
-      if (LastIdx == Idx)
-        ++LastIdx;
-      continue;
-    }
-    if (LastIdx == Idx || Ops[LastIdx].Op != Ops[Idx].Op) {
-      LastIdx = Idx;
-      continue;
-    }
+  for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
+    Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
+
+    // Count the number of occurrences of this value.
+    unsigned Count = 1;
+    for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
+      ++Count;
     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
-    DenseMap<Value *, unsigned>::iterator CountIt;
-    bool Inserted;
-    llvm::tie(CountIt, Inserted)
-      = FactorCounts.insert(std::make_pair(Ops[Idx].Op, 2));
-    if (Inserted) {
-      FactorPowerSum += 2;
-      Factors.push_back(Factor(Ops[Idx].Op, 2));
-    } else {
-      ++CountIt->second;
-      ++FactorPowerSum;
-    }
+    if (Count > 1)
+      FactorPowerSum += Count;
   }
+
   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
@@ -992,35 +1273,29 @@ bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
   if (FactorPowerSum < 4)
     return false;
 
-  // Remove all the operands which are in the map.
-  Ops.erase(std::remove_if(Ops.begin(), Ops.end(), IsValueInMap(FactorCounts)),
-            Ops.end());
+  // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
+  FactorPowerSum = 0;
+  for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
+    Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
 
-  // Record the adjusted power for the simplification factors. We add back into
-  // the Ops list any values with an odd power, and make the power even. This
-  // allows the outer-most multiplication tree to remain in tact during
-  // simplification.
-  unsigned OldOpsSize = Ops.size();
-  for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
-    Factors[Idx].Power = FactorCounts[Factors[Idx].Base];
-    if (Factors[Idx].Power & 1) {
-      Ops.push_back(ValueEntry(getRank(Factors[Idx].Base), Factors[Idx].Base));
-      --Factors[Idx].Power;
-      --FactorPowerSum;
-    }
+    // Count the number of occurrences of this value.
+    unsigned Count = 1;
+    for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
+      ++Count;
+    if (Count == 1)
+      continue;
+    // Move an even number of occurrences to Factors.
+    Count &= ~1U;
+    Idx -= Count;
+    FactorPowerSum += Count;
+    Factors.push_back(Factor(Op, Count));
+    Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
   }
+
   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
   // below our mininum of '4'.
   assert(FactorPowerSum >= 4);
 
-  // Patch up the sort of the ops vector by sorting the factors we added back
-  // onto the back, and merging the two sequences.
-  if (OldOpsSize != Ops.size()) {
-    SmallVectorImpl<ValueEntry>::iterator MiddleIt = Ops.begin() + OldOpsSize;
-    std::sort(MiddleIt, Ops.end());
-    std::inplace_merge(Ops.begin(), MiddleIt, Ops.end());
-  }
-
   std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
   return true;
 }
@@ -1068,9 +1343,9 @@ Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
 
     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
-    Factors[LastIdx].Base
-      = ReassociateExpression(
-          cast<BinaryOperator>(buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct)));
+    Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
+    if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
+      RedoInsts.insert(MI);
 
     LastIdx = Idx;
   }
@@ -1096,8 +1371,8 @@ Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
   if (OuterProduct.size() == 1)
     return OuterProduct.front();
 
-  return ReassociateExpression(
-    cast<BinaryOperator>(buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct)));
+  Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
+  return V;
 }
 
 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
@@ -1128,47 +1403,25 @@ Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
   // Start by folding any constants that we found.
-  bool IterateOptimization = false;
-  if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
-
+  Constant *Cst = 0;
   unsigned Opcode = I->getOpcode();
+  while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
+    Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
+    Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
+  }
+  // If there was nothing but constants then we are done.
+  if (Ops.empty())
+    return Cst;
+
+  // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
+  // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
+  // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
+  if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
+    if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
+      return Cst;
+    Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
+  }
 
-  if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
-    if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
-      Ops.pop_back();
-      Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
-      return OptimizeExpression(I, Ops);
-    }
-
-  // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
-  if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
-    switch (Opcode) {
-    default: break;
-    case Instruction::And:
-      if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
-        return CstVal;
-      if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
-        Ops.pop_back();
-      break;
-    case Instruction::Mul:
-      if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
-        ++NumAnnihil;
-        return CstVal;
-      }
-
-      if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
-        Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
-      break;
-    case Instruction::Or:
-      if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
-        return CstVal;
-      // FALLTHROUGH!
-    case Instruction::Add:
-    case Instruction::Xor:
-      if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
-        Ops.pop_back();
-      break;
-    }
   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
 
   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
@@ -1194,26 +1447,78 @@ Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
     break;
   }
 
-  if (IterateOptimization || Ops.size() != NumOps)
+  if (Ops.size() != NumOps)
     return OptimizeExpression(I, Ops);
   return 0;
 }
 
-/// ReassociateInst - Inspect and reassociate the instruction at the
-/// given position, post-incrementing the position.
-void Reassociate::ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI) {
-  Instruction *BI = BBI++;
-  if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
-      isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
-    if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI, ValueRankMap)) {
+/// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
+/// work list.
+void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
+  assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
+  SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
+  // Erase the dead instruction.
+  ValueRankMap.erase(I);
+  RedoInsts.remove(I);
+  I->eraseFromParent();
+  // Optimize its operands.
+  SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
+    if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
+      // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
+      // and add that since that's where optimization actually happens.
+      unsigned Opcode = Op->getOpcode();
+      while (Op->hasOneUse() && Op->use_back()->getOpcode() == Opcode &&
+             Visited.insert(Op))
+        Op = Op->use_back();
+      RedoInsts.insert(Op);
+    }
+}
+
+/// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
+/// instructions is not allowed.
+void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
+  // Only consider operations that we understand.
+  if (!isa<BinaryOperator>(I))
+    return;
+
+  if (I->getOpcode() == Instruction::Shl &&
+      isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
+    // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
+    // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
+    if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
+        (I->hasOneUse() &&
+         (isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul) ||
+          isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Add)))) {
+      Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
+      RedoInsts.insert(I);
       MadeChange = true;
-      BI = NI;
+      I = NI;
     }
 
-  // Reject cases where it is pointless to do this.
-  if (!isa<BinaryOperator>(BI) || BI->getType()->isFloatingPointTy() ||
-      BI->getType()->isVectorTy())
-    return;  // Floating point ops are not associative.
+  // Floating point binary operators are not associative, but we can still
+  // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
+  // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
+  // other transformations simpler.
+  if ((I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy())) {
+    // FAdd and FMul can be commuted.
+    if (I->getOpcode() != Instruction::FMul &&
+        I->getOpcode() != Instruction::FAdd)
+      return;
+
+    Value *LHS = I->getOperand(0);
+    Value *RHS = I->getOperand(1);
+    unsigned LHSRank = getRank(LHS);
+    unsigned RHSRank = getRank(RHS);
+
+    // Sort the operands by rank.
+    if (RHSRank < LHSRank) {
+      I->setOperand(0, RHS);
+      I->setOperand(1, LHS);
+    }
+
+    return;
+  }
 
   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
@@ -1221,55 +1526,63 @@ void Reassociate::ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI) {
   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
   // optimized for the most likely conditions.
-  if (BI->getType()->isIntegerTy(1))
+  if (I->getType()->isIntegerTy(1))
     return;
 
   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
   // see if we can convert it to X+-Y.
-  if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub) {
-    if (ShouldBreakUpSubtract(BI)) {
-      BI = BreakUpSubtract(BI, ValueRankMap);
-      // Reset the BBI iterator in case BreakUpSubtract changed the
-      // instruction it points to.
-      BBI = BI;
-      ++BBI;
+  if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
+    if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
+      Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
+      RedoInsts.insert(I);
       MadeChange = true;
-    } else if (BinaryOperator::isNeg(BI)) {
+      I = NI;
+    } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
-      if (isReassociableOp(BI->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
-          (!BI->hasOneUse() ||
-           !isReassociableOp(BI->use_back(), Instruction::Mul))) {
-        BI = LowerNegateToMultiply(BI, ValueRankMap);
+      if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
+          (!I->hasOneUse() ||
+           !isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul))) {
+        Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
+        RedoInsts.insert(I);
         MadeChange = true;
+        I = NI;
       }
     }
   }
 
-  // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
-  if (!BI->isAssociative()) return;
-  BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
+  // If this instruction is an associative binary operator, process it.
+  if (!I->isAssociative()) return;
+  BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
 
   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
-  if (I->hasOneUse() && isReassociableOp(I->use_back(), I->getOpcode()))
+  unsigned Opcode = BO->getOpcode();
+  if (BO->hasOneUse() && BO->use_back()->getOpcode() == Opcode)
     return;
 
   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
   // until we process the subtract.
-  if (I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Instruction::Add &&
-      cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
+  if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
+      cast<Instruction>(BO->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
     return;
 
-  ReassociateExpression(I);
+  ReassociateExpression(BO);
 }
 
-Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
+void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
 
   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
   // operand information.
+  SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
+  MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
-  LinearizeExprTree(I, Ops);
+  Ops.reserve(Tree.size());
+  for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
+    RepeatedValue E = Tree[i];
+    Ops.append(E.second.getZExtValue(),
+               ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
+  }
 
   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
 
@@ -1284,15 +1597,18 @@ Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
   // sorted form, optimize it globally if possible.
   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
+    if (V == I)
+      // Self-referential expression in unreachable code.
+      return;
     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
     // eliminate it.
     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
     I->replaceAllUsesWith(V);
     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
-    RemoveDeadBinaryOp(I);
+    RedoInsts.insert(I);
     ++NumAnnihil;
-    return V;
+    return;
   }
 
   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
@@ -1310,45 +1626,53 @@ Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
 
   if (Ops.size() == 1) {
+    if (Ops[0].Op == I)
+      // Self-referential expression in unreachable code.
+      return;
+
     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
     // eliminate it.
     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
-    RemoveDeadBinaryOp(I);
-    return Ops[0].Op;
+    RedoInsts.insert(I);
+    return;
   }
 
   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
   RewriteExprTree(I, Ops);
-  return I;
 }
 
 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
-  // Recalculate the rank map for F
+  // Calculate the rank map for F
   BuildRankMap(F);
 
   MadeChange = false;
-  for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
-    for (BasicBlock::iterator BBI = FI->begin(); BBI != FI->end(); )
-      ReassociateInst(BBI);
-
-  // Now that we're done, revisit any instructions which are likely to
-  // have secondary reassociation opportunities.
-  while (!RedoInsts.empty())
-    if (Value *V = RedoInsts.pop_back_val()) {
-      BasicBlock::iterator BBI = cast<Instruction>(V);
-      ReassociateInst(BBI);
-    }
+  for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
+    // Optimize every instruction in the basic block.
+    for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
+      if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
+        EraseInst(II++);
+      } else {
+        OptimizeInst(II);
+        assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
+        ++II;
+      }
 
-  // Now that we're done, delete any instructions which are no longer used.
-  while (!DeadInsts.empty())
-    if (Value *V = DeadInsts.pop_back_val())
-      RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(V);
+    // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
+    while (!RedoInsts.empty()) {
+      Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
+      if (isInstructionTriviallyDead(I))
+        EraseInst(I);
+      else
+        OptimizeInst(I);
+    }
+  }
 
   // We are done with the rank map.
   RankMap.clear();
   ValueRankMap.clear();
+
   return MadeChange;
 }