Move all of the header files which are involved in modelling the LLVM IR
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
index 9ef4ea8ffefd923b0942e7097c6cc2a984ce7ac8..0da37469505b1140d795e49358f425a85e0d4a0c 100644 (file)
@@ -8,7 +8,7 @@
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 //
 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
-// to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE...
+// to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
 //
 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
 //
 
 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
-#include "llvm/Constants.h"
-#include "llvm/DerivedTypes.h"
-#include "llvm/Function.h"
-#include "llvm/Instructions.h"
-#include "llvm/IntrinsicInst.h"
-#include "llvm/LLVMContext.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/Compiler.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/Statistic.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
 #include <algorithm>
-#include <map>
 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");
 
 namespace {
-  struct VISIBILITY_HIDDEN ValueEntry {
+  struct ValueEntry {
     unsigned Rank;
     Value *Op;
     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
@@ -60,25 +61,68 @@ namespace {
 #ifndef NDEBUG
 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
 ///
-static void PrintOps(Instruction *I, const std::vector<ValueEntry> &Ops) {
+static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
-  errs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
-       << *Ops[0].Op->getType();
+  dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
+       << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-    WriteAsOperand(errs() << " ", Ops[i].Op, false, M);
-    errs() << "," << Ops[i].Rank;
+    dbgs() << "[ ";
+    WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, false, M);
+    dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
   }
 }
 #endif
-  
+
 namespace {
-  class VISIBILITY_HIDDEN Reassociate : public FunctionPass {
-    std::map<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
-    std::map<AssertingVH<>, unsigned> ValueRankMap;
+  /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
+  /// factor of some product.
+  struct Factor {
+    Value *Base;
+    unsigned Power;
+
+    Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
+
+    /// \brief Sort factors by their Base.
+    struct BaseSorter {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Base < RHS.Base;
+      }
+    };
+
+    /// \brief Compare factors for equal bases.
+    struct BaseEqual {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Base == RHS.Base;
+      }
+    };
+
+    /// \brief Sort factors in descending order by their power.
+    struct PowerDescendingSorter {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Power > RHS.Power;
+      }
+    };
+
+    /// \brief Compare factors for equal powers.
+    struct PowerEqual {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Power == RHS.Power;
+      }
+    };
+  };
+}
+
+namespace {
+  class Reassociate : public FunctionPass {
+    DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
+    DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
+    SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
     bool MadeChange;
   public:
     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
-    Reassociate() : FunctionPass(&ID) {}
+    Reassociate() : FunctionPass(ID) {
+      initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+    }
 
     bool runOnFunction(Function &F);
 
@@ -89,44 +133,46 @@ namespace {
     void BuildRankMap(Function &F);
     unsigned getRank(Value *V);
     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
-    void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, std::vector<ValueEntry> &Ops,
-                         unsigned Idx = 0);
-    Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I, std::vector<ValueEntry> &Ops);
-    void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, std::vector<ValueEntry> &Ops);
-    void LinearizeExpr(BinaryOperator *I);
+    void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
+    Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
+                              SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
+    Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
+    bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
+                                SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
+    Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
+                                   SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
+    Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
-    void ReassociateBB(BasicBlock *BB);
-    
-    void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
+    void EraseInst(Instruction *I);
+    void OptimizeInst(Instruction *I);
   };
 }
 
 char Reassociate::ID = 0;
-static RegisterPass<Reassociate> X("reassociate", "Reassociate expressions");
+INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
+                "Reassociate expressions", false, false)
 
 // 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) || !isa<CmpInst>(Op) || !Op->use_empty())
-    return;
-  
-  Value *LHS = Op->getOperand(0), *RHS = Op->getOperand(1);
-  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::Malloc ||
       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
-      I->getOpcode() == Instruction::UDiv || 
+      I->getOpcode() == Instruction::UDiv ||
       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
@@ -159,13 +205,14 @@ void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
 }
 
 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
-  if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument...
-
   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
-  if (I == 0) return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
+  if (I == 0) {
+    if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
+    return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
+  }
 
-  unsigned &CachedRank = ValueRankMap[I];
-  if (CachedRank) return CachedRank;    // Rank already known?
+  if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
+    return Rank;    // Rank already known?
 
   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
@@ -178,204 +225,539 @@ unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
 
   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
   // assures us that X and ~X will have the same rank.
-  if (!I->getType()->isInteger() ||
+  if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
     ++Rank;
 
-  //DEBUG(errs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
+  //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
   //     << Rank << "\n");
 
-  return CachedRank = 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;
+  return ValueRankMap[I] = Rank;
 }
 
 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
 ///
-static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg,
-                              std::map<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap,
-                              LLVMContext &Context) {
+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);
-  Neg->eraseFromParent();
+  Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
   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(errs() << "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);
+/// 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;
+}
 
-  ++NumLinear;
-  MadeChange = true;
-  DEBUG(errs() << "Linearized: " << *I << '\n');
+/// 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;
+  }
 
-  // If D is part of this expression tree, tail recurse.
-  if (isReassociableOp(I->getOperand(1), I->getOpcode()))
-    LinearizeExpr(I);
+  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 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:
 ///
-/// 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.
+///                     +        |        I
+///                    / \       |
+///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
+///                  / \   \     |
+///                 *   +   *    |    C,  D,  E
+///                / \ / \ / \   |
+///                   +   *      |      F,  G
 ///
-void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
-                                    std::vector<ValueEntry> &Ops) {
-  Value *LHS = I->getOperand(0), *RHS = I->getOperand(1);
+/// 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.
+///
+/// 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();
-  LLVMContext &Context = I->getContext();
-
-  // First step, linearize the expression if it is in ((A+B)+(C+D)) form.
-  BinaryOperator *LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
-  BinaryOperator *RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
-
-  // 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, Context);
-      LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
-    }
-    if (!RHSBO && RHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(RHS)) {
-      RHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(RHS),
-                                  ValueRankMap, Context);
-      RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
-    }
-  }
+  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.
 
-  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));
-      
-      // Clear the leaves out.
-      I->setOperand(0, UndefValue::get(I->getType()));
-      I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
-      return;
-    } else {
-      // Turn X+(Y+Z) -> (Y+Z)+X
-      std::swap(LHSBO, RHSBO);
-      std::swap(LHS, RHS);
-      bool Success = !I->swapOperands();
-      assert(Success && "swapOperands failed");
-      Success = false;
-      MadeChange = true;
+#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;
+      }
+
+      // 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 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
+
+        // 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;
+
+        // No uses outside the expression, try morphing it.
+        Weight = It->second;
+        Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
+      }
+
+      // 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;
+      }
+
+      // 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;
     }
-  } else if (RHSBO) {
-    // Turn (A+B)+(C+D) -> (((A+B)+C)+D).  This guarantees the the RHS is not
-    // part of the expression tree.
-    LinearizeExpr(I);
-    LHS = LHSBO = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
-    RHS = I->getOperand(1);
-    RHSBO = 0;
   }
 
-  // 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!");
-
-  // Move LHS right before I to make sure that the tree expression dominates all
-  // values.
-  LHSBO->moveBefore(I);
+  // 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));
+  }
 
-  // Linearize the expression tree on the LHS.
-  LinearizeExprTree(LHSBO, Ops);
+  // 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)));
+  }
 
-  // Remember the RHS operand and its rank.
-  Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
-  
-  // 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,
-                                  std::vector<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(errs() << "RA: " << *I << '\n');
-      I->setOperand(0, Ops[i].Op);
-      I->setOperand(1, Ops[i+1].Op);
-      DEBUG(errs() << "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(errs() << "RA: " << *I << '\n');
-    I->setOperand(1, Ops[i].Op);
-    DEBUG(errs() << "TO: " << *I << '\n');
+    // 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;
+    }
+
+    // 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;
+    }
+
+    // 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,
+/// that computes the negative version of the value specified.  The negative
+/// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
+/// that should be processed next by the reassociation pass.
+static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
+  if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
+    return ConstantExpr::getNeg(C);
 
-// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
-// that computes the negative version of the value specified.  The negative
-// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
-// that should be processed next by the reassociation pass.
-//
-static Value *NegateValue(LLVMContext &Context, Value *V, Instruction *BI) {
   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
@@ -383,37 +765,67 @@ static Value *NegateValue(LLVMContext &Context, Value *V, Instruction *BI) {
   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
-  // we introduce tons of unnecessary negation instructions...
+  // 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(Context, I->getOperand(0), BI));
-      I->setOperand(1, NegateValue(Context, 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.
+  for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
+    User *U = *UI;
+    if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
+
+    // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
+    // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
+    // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
+    // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
+    BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
+
+    // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
+    if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
+      continue;
+
+    BasicBlock::iterator InsertPt;
+    if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
+      if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
+        InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
+      } else {
+        InsertPt = InstInput;
+        ++InsertPt;
+      }
+      while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
+    } else {
+      InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
     }
+    TheNeg->moveBefore(InsertPt);
+    return TheNeg;
+  }
 
   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
   // negation.
-  //
   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
 }
 
 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
 /// X-Y into (X + -Y).
-static bool ShouldBreakUpSubtract(LLVMContext &Context, Instruction *Sub) {
+static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
   // If this is a negation, we can't split it up!
   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
     return false;
-  
+
   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
   // subtract or if this is only used by one.
   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
@@ -422,76 +834,67 @@ static bool ShouldBreakUpSubtract(LLVMContext &Context, Instruction *Sub) {
   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
     return true;
-  if (Sub->hasOneUse() && 
+  if (Sub->hasOneUse() &&
       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
     return true;
-    
+
   return false;
 }
 
 /// 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(LLVMContext &Context, Instruction *Sub,
-                              std::map<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap) {
-  // Convert a subtract into an add and a neg instruction... so that sub
-  // instructions can be commuted with other add instructions...
+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.
   //
-  // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction...
-  // and set it as the RHS of the add instruction we just made...
+  // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
+  // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
   //
-  Value *NegVal = NegateValue(Context, Sub->getOperand(1), Sub);
-  Instruction *New =
+  Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
+  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);
-  Sub->eraseFromParent();
+  New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
 
-  DEBUG(errs() << "Negated: " << *New << '\n');
+  DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
   return New;
 }
 
 /// 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, 
-                              std::map<AssertingVH<>, unsigned> &ValueRankMap,
-                              LLVMContext &Context) {
-  // 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);
-    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;
 }
 
-// Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i to
-// see if X exists.  If X does not exist, return i.
-static unsigned FindInOperandList(std::vector<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
+/// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
+/// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
+/// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
+/// same rank.
+static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
                                   Value *X) {
   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
   unsigned e = Ops.size();
   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
     if (Ops[j].Op == X)
       return j;
-  // Scan backwards
+  // Scan backwards.
   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
     if (Ops[j].Op == X)
       return j;
@@ -500,350 +903,689 @@ static unsigned FindInOperandList(std::vector<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
 
 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
-static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I, std::vector<Value*> &Ops) {
+static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
+                                  SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
-  
+
   Value *V1 = Ops.back();
   Ops.pop_back();
   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
 }
 
-/// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a 
+/// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
   if (!BO) return 0;
-  
-  std::vector<ValueEntry> Factors;
-  LinearizeExprTree(BO, Factors);
+
+  SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
+  MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
+  SmallVector<ValueEntry, 8> 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;
-  for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
+  bool NeedsNegate = false;
+  for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
     if (Factors[i].Op == Factor) {
       FoundFactor = true;
       Factors.erase(Factors.begin()+i);
       break;
     }
+
+    // If this is a negative version of this factor, remove it.
+    if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
+      if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
+        if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
+          FoundFactor = NeedsNegate = true;
+          Factors.erase(Factors.begin()+i);
+          break;
+        }
+  }
+
   if (!FoundFactor) {
     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
     RewriteExprTree(BO, Factors);
     return 0;
   }
-  
-  if (Factors.size() == 1) return Factors[0].Op;
-  
-  RewriteExprTree(BO, Factors);
-  return BO;
+
+  BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
+
+  // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
+  // remaining operand.
+  if (Factors.size() == 1) {
+    RedoInsts.insert(BO);
+    V = Factors[0].Op;
+  } else {
+    RewriteExprTree(BO, Factors);
+    V = BO;
+  }
+
+  if (NeedsNegate)
+    V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
+
+  return V;
 }
 
 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
+///
+/// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
-                                         std::vector<Value*> &Factors) {
-  BinaryOperator *BO;
-  if ((!V->hasOneUse() && !V->use_empty()) ||
-      !(BO = dyn_cast<BinaryOperator>(V)) ||
-      BO->getOpcode() != Instruction::Mul) {
+                                         SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
+                                       const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
+  if (!BO) {
     Factors.push_back(V);
     return;
   }
-  
+
   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
-  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors);
-  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors);
+  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
+  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
 }
 
+/// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
+/// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
+/// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
+/// necessary.
+static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
+                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
+  // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
+    // First, check for X and ~X in the operand list.
+    assert(i < Ops.size());
+    if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
+      Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
+      unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
+      if (FoundX != i) {
+        if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
+          return Constant::getNullValue(X->getType());
+
+        if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
+          return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
+      }
+    }
 
+    // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
+    // each other, due to our sorting criteria.
+    assert(i < Ops.size());
+    if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
+      if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
+        // Drop duplicate values for And and Or.
+        Ops.erase(Ops.begin()+i);
+        --i; --e;
+        ++NumAnnihil;
+        continue;
+      }
 
-Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
-                                       std::vector<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;
+      // Drop pairs of values for Xor.
+      assert(Opcode == Instruction::Xor);
+      if (e == 2)
+        return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
 
-  unsigned Opcode = I->getOpcode();
-  
-  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);
+      // Y ^ X^X -> Y
+      Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
+      i -= 1; e -= 2;
+      ++NumAnnihil;
     }
+  }
+  return 0;
+}
 
-  // 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()) {                // ... & 0 -> 0
-        ++NumAnnihil;
-        return CstVal;
-      } else if (CstVal->isAllOnesValue()) { // ... & -1 -> ...
-        Ops.pop_back();
-      }
-      break;
-    case Instruction::Mul:
-      if (CstVal->isZero()) {                // ... * 0 -> 0
-        ++NumAnnihil;
-        return CstVal;
-      } else if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne()) {
-        Ops.pop_back();                      // ... * 1 -> ...
-      }
-      break;
-    case Instruction::Or:
-      if (CstVal->isAllOnesValue()) {        // ... | -1 -> -1
-        ++NumAnnihil;
-        return CstVal;
+/// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
+/// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
+/// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
+Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
+                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
+  // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
+  // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
+  //
+  // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
+  //
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
+    Value *TheOp = Ops[i].Op;
+    // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
+    // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
+    // that these need to be next to each other in the vector.
+    if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
+      // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
+      unsigned NumFound = 0;
+      do {
+        Ops.erase(Ops.begin()+i);
+        ++NumFound;
+      } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
+
+      DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
+      ++NumFactor;
+
+      // Insert a new multiply.
+      Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
+      Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", 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.insert(cast<Instruction>(Mul));
+
+      // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
+      if (Ops.empty())
+        return Mul;
+
+      // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
+      // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
+      // things being added by this operation.
+      Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
+
+      --i;
+      e = Ops.size();
+      continue;
+    }
+
+    // Check for X and -X in the operand list.
+    if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
+      continue;
+
+    Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
+    unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
+    if (FoundX == i)
+      continue;
+
+    // Remove X and -X from the operand list.
+    if (Ops.size() == 2)
+      return Constant::getNullValue(X->getType());
+
+    Ops.erase(Ops.begin()+i);
+    if (i < FoundX)
+      --FoundX;
+    else
+      --i;   // Need to back up an extra one.
+    Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
+    ++NumAnnihil;
+    --i;     // Revisit element.
+    e -= 2;  // Removed two elements.
+  }
+
+  // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
+  // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
+  // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
+  // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
+  // for any ADD operands that are MULs.
+  DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
+
+  // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
+  // where they are actually the same multiply.
+  unsigned MaxOcc = 0;
+  Value *MaxOccVal = 0;
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
+    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);
+    assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
+
+    // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
+    SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
+    for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
+      Value *Factor = Factors[i];
+      if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
+
+      unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
+      if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
+
+      // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
+      // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
+      // cannot be positivified.
+      if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
+        if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
+          Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
+          assert(!Duplicates.count(Factor) &&
+                 "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
+
+          unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
+          if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
+        }
+    }
+  }
+
+  // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
+  if (MaxOcc > 1) {
+    DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
+    ++NumFactor;
+
+    // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
+    // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
+    // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
+    // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
+    Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
+    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 = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
+      if (!BOp)
+        continue;
+
+      if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
+        // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
+        // one fell swoop.
+        for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
+          --j;
+          if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
+            NewMulOps.push_back(V);
+            Ops.erase(Ops.begin()+j);
+          }
+        }
+        --i;
       }
-      // FALLTHROUGH!
-    case Instruction::Add:
-    case Instruction::Xor:
-      if (CstVal->isZero())                  // ... [|^+] 0 -> ...
-        Ops.pop_back();
-      break;
     }
+
+    // No need for extra uses anymore.
+    delete DummyInst;
+
+    unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
+    Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
+
+    // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
+    // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
+    // 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;
+    if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
+      RedoInsts.insert(VI);
+
+    // Create the multiply.
+    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.
+    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)".
+    if (Ops.empty())
+      return V2;
+
+    // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
+    // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
+    // things being added by this operation.
+    Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
+  }
+
+  return 0;
+}
+
+namespace {
+  /// \brief Predicate tests whether a ValueEntry's op is in a map.
+  struct IsValueInMap {
+    const DenseMap<Value *, unsigned> &Map;
+
+    IsValueInMap(const DenseMap<Value *, unsigned> &Map) : Map(Map) {}
+
+    bool operator()(const ValueEntry &Entry) {
+      return Map.find(Entry.Op) != Map.end();
+    }
+  };
+}
+
+/// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
+///
+/// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
+/// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
+/// the order of descending power.
+///
+///      (x*x)          -> [(x, 2)]
+///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
+///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
+///
+/// \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;
+  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.
+    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
+  // trying to simplify already minimal formations.
+  if (FactorPowerSum < 4)
+    return false;
+
+  // 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;
+
+    // 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);
+
+  std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
+  return true;
+}
+
+/// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
+static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
+                                SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
+  if (Ops.size() == 1)
+    return Ops.back();
+
+  Value *LHS = Ops.pop_back_val();
+  do {
+    LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
+  } while (!Ops.empty());
+
+  return LHS;
+}
+
+/// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
+///
+/// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
+/// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
+/// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
+/// value.
+Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
+                                            SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
+  assert(Factors[0].Power);
+  SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
+  for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
+       Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
+    if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
+      LastIdx = Idx;
+      continue;
+    }
+
+    // We want to multiply across all the factors with the same power so that
+    // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
+    // for that.
+    SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
+    InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
+    do {
+      InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
+      ++Idx;
+    } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
+
+    // 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.
+    Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
+    if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
+      RedoInsts.insert(MI);
+
+    LastIdx = Idx;
+  }
+  // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
+  // base.
+  Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
+                            Factor::PowerEqual()),
+                Factors.end());
+
+  // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
+  // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
+  // expression.
+  for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
+    if (Factors[Idx].Power & 1)
+      OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
+    Factors[Idx].Power >>= 1;
+  }
+  if (Factors[0].Power) {
+    Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
+    OuterProduct.push_back(SquareRoot);
+    OuterProduct.push_back(SquareRoot);
+  }
+  if (OuterProduct.size() == 1)
+    return OuterProduct.front();
+
+  Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
+  return V;
+}
+
+Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
+                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
+  // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
+  if (Ops.size() < 4)
+    return 0;
+
+  // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
+  // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
+  // re-use.
+  SmallVector<Factor, 4> Factors;
+  if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
+    return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
+
+  IRBuilder<> Builder(I);
+  Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
+  if (Ops.empty())
+    return V;
+
+  ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
+  Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
+  return 0;
+}
+
+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.
+  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 (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
 
-  // Handle destructive annihilation do to identities between elements in the
+  // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
   // argument list here.
+  unsigned NumOps = Ops.size();
   switch (Opcode) {
   default: break;
   case Instruction::And:
   case Instruction::Or:
   case Instruction::Xor:
-    // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
-    // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
-    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-      // First, check for X and ~X in the operand list.
-      assert(i < Ops.size());
-      if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
-        Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
-        unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
-        if (FoundX != i) {
-          if (Opcode == Instruction::And) {   // ...&X&~X = 0
-            ++NumAnnihil;
-            return Constant::getNullValue(X->getType());
-          } else if (Opcode == Instruction::Or) {   // ...|X|~X = -1
-            ++NumAnnihil;
-            return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
-          }
-        }
-      }
-
-      // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
-      // each other, due to our sorting criteria.
-      assert(i < Ops.size());
-      if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
-        if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
-          // Drop duplicate values.
-          Ops.erase(Ops.begin()+i);
-          --i; --e;
-          IterateOptimization = true;
-          ++NumAnnihil;
-        } else {
-          assert(Opcode == Instruction::Xor);
-          if (e == 2) {
-            ++NumAnnihil;
-            return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
-          }
-          // ... X^X -> ...
-          Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
-          i -= 1; e -= 2;
-          IterateOptimization = true;
-          ++NumAnnihil;
-        }
-      }
-    }
+    if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
+      return Result;
     break;
 
   case Instruction::Add:
-    // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
-    // can simplify the expression. X+-X == 0.
-    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-      assert(i < Ops.size());
-      // Check for X and -X in the operand list.
-      if (BinaryOperator::isNeg(Ops[i].Op)) {
-        Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(Ops[i].Op);
-        unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
-        if (FoundX != i) {
-          // Remove X and -X from the operand list.
-          if (Ops.size() == 2) {
-            ++NumAnnihil;
-            return Constant::getNullValue(X->getType());
-          } else {
-            Ops.erase(Ops.begin()+i);
-            if (i < FoundX)
-              --FoundX;
-            else
-              --i;   // Need to back up an extra one.
-            Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
-            IterateOptimization = true;
-            ++NumAnnihil;
-            --i;     // Revisit element.
-            e -= 2;  // Removed two elements.
-          }
-        }
-      }
-    }
-    
-
-    // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
-    // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
-    // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
-    // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
-    // for any ADD operands that are MULs.
-    std::map<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
-    unsigned MaxOcc = 0;
-    Value *MaxOccVal = 0;
-    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-      if (BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op)) {
-        if (BOp->getOpcode() == Instruction::Mul && BOp->use_empty()) {
-          // Compute all of the factors of this added value.
-          std::vector<Value*> Factors;
-          FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors);
-          assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
-
-          // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
-          if (Factors.size() == 2) {
-            unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factors[0]];
-            if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factors[0]; }
-            if (Factors[0] != Factors[1]) {   // Don't double count A*A.
-              Occ = ++FactorOccurrences[Factors[1]];
-              if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factors[1]; }
-            }
-          } else {
-            std::set<Value*> Duplicates;
-            for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
-              if (Duplicates.insert(Factors[i]).second) {
-                unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factors[i]];
-                if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factors[i]; }
-              }
-            }
-          }
-        }
-      }
-    }
+    if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
+      return Result;
+    break;
 
-    // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
-    if (MaxOcc > 1) {
-      DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << "\n");
-      
-      // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
-      // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
-      // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause 
-      // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
-      Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
-      std::vector<Value*> NewMulOps;
-      for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-        if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
-          NewMulOps.push_back(V);
-          Ops.erase(Ops.begin()+i);
-          --i; --e;
-        }
-      }
-      
-      // No need for extra uses anymore.
-      delete DummyInst;
-
-      unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
-      Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
-      Value *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
-
-      // Now that we have inserted V and its sole use, optimize it. This allows
-      // us to handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
-      // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
-      if (NumAddedValues > 1)
-        ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V));
-      
-      ++NumFactor;
-      
-      if (Ops.empty())
-        return V2;
-
-      // Add the new value to the list of things being added.
-      Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
-      
-      // Rewrite the tree so that there is now a use of V.
-      RewriteExprTree(I, Ops);
-      return OptimizeExpression(I, Ops);
-    }
+  case Instruction::Mul:
+    if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
+      return Result;
     break;
-  //case Instruction::Mul:
   }
 
-  if (IterateOptimization)
+  if (Ops.size() != NumOps)
     return OptimizeExpression(I, Ops);
   return 0;
 }
 
+/// 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);
+    }
+}
 
-/// ReassociateBB - Inspect all of the instructions in this basic block,
-/// reassociating them as we go.
-void Reassociate::ReassociateBB(BasicBlock *BB) {
-  LLVMContext &Context = BB->getContext();
-  
-  for (BasicBlock::iterator BBI = BB->begin(); BBI != BB->end(); ) {
-    Instruction *BI = BBI++;
-    if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
-        isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
-      if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI, ValueRankMap, Context)) {
-        MadeChange = true;
-        BI = NI;
-      }
+/// 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;
 
-    // Reject cases where it is pointless to do this.
-    if (!isa<BinaryOperator>(BI) || BI->getType()->isFloatingPoint() || 
-        isa<VectorType>(BI->getType()))
-      continue;  // Floating point ops are not associative.
+  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;
+      I = NI;
+    }
+
+  // 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
+  // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
+  // 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 (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(Context, BI)) {
-        BI = BreakUpSubtract(Context, BI, ValueRankMap);
+  // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
+  // see if we can convert it to X+-Y.
+  if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
+    if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
+      Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
+      RedoInsts.insert(I);
+      MadeChange = true;
+      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(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
+          (!I->hasOneUse() ||
+           !isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul))) {
+        Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
+        RedoInsts.insert(I);
         MadeChange = true;
-      } else if (BinaryOperator::isNeg(BI)) {
-        // 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, Context);
-          MadeChange = true;
-        }
+        I = NI;
       }
     }
+  }
 
-    // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
-    if (!BI->isAssociative()) continue;
-    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()))
-      continue;
+  // 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.
+  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)
-      continue;
+  // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
+  // until we process the subtract.
+  if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
+      cast<Instruction>(BO->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
+    return;
 
-    ReassociateExpression(I);
-  }
+  ReassociateExpression(BO);
 }
 
 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
-  
-  // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting
-  std::vector<ValueEntry> Ops;
-  LinearizeExprTree(I, Ops);
-  
-  DEBUG(errs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); errs() << "\n");
-  
+
+  // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
+  // operand information.
+  SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
+  MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
+  SmallVector<ValueEntry, 8> 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');
+
   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
@@ -851,18 +1593,24 @@ void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
   // the vector.
   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
-  
+
   // 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(errs() << "Reassoc to scalar: " << *V << "\n");
+    DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
     I->replaceAllUsesWith(V);
-    RemoveDeadBinaryOp(I);
+    if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
+      VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
+    RedoInsts.insert(I);
+    ++NumAnnihil;
     return;
   }
-  
+
   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
@@ -871,36 +1619,60 @@ void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
-    Ops.insert(Ops.begin(), Ops.back());
-    Ops.pop_back();
+    ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
+    Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
   }
-  
-  DEBUG(errs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); errs() << "\n");
-  
+
+  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);
-    RemoveDeadBinaryOp(I);
-  } else {
-    // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
-    // the expression tree, removing any unneeded nodes.
-    RewriteExprTree(I, Ops);
+    if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
+      OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
+    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);
+}
 
 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)
-    ReassociateBB(FI);
+  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;
+      }
 
-  // We are done with the rank map...
+    // 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;
 }
-