API change for {BinaryOperator|CmpInst|CastInst}::create*() --> Create. Legacy interf...
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
index 02ccfee46a958b711ebfc64cef23d36d99acf994..de1a3babdd56226d1465609b6bcf34d5459e73b4 100644 (file)
@@ -1,13 +1,17 @@
 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
 //
+//                     The LLVM Compiler Infrastructure
+//
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
+//
+//===----------------------------------------------------------------------===//
+//
 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
-// to promote better constant propogation, GCSE, LICM, PRE...
+// to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE...
 //
 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
 //
-// Note that this pass works best if left shifts have been promoted to explicit
-// multiplies before this pass executes.
-//
 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
+#define DEBUG_TYPE "reassociate"
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
+#include "llvm/Constants.h"
+#include "llvm/DerivedTypes.h"
 #include "llvm/Function.h"
-#include "llvm/BasicBlock.h"
-#include "llvm/iOperators.h"
-#include "llvm/Type.h"
+#include "llvm/Instructions.h"
 #include "llvm/Pass.h"
-#include "llvm/Constant.h"
+#include "llvm/Assembly/Writer.h"
 #include "llvm/Support/CFG.h"
-#include "Support/PostOrderIterator.h"
-#include "Support/StatisticReporter.h"
+#include "llvm/Support/Compiler.h"
+#include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include <algorithm>
+#include <map>
+using namespace llvm;
 
-static Statistic<> NumChanged("reassociate\t- Number of insts reassociated");
-static Statistic<> NumSwapped("reassociate\t- Number of insts with operands swapped");
+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 {
-  class Reassociate : public FunctionPass {
-    map<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
+  struct VISIBILITY_HIDDEN ValueEntry {
+    unsigned Rank;
+    Value *Op;
+    ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
+  };
+  inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
+    return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
+  }
+}
+
+/// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
+///
+static void PrintOps(Instruction *I, const std::vector<ValueEntry> &Ops) {
+  Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
+  cerr << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
+  << *Ops[0].Op->getType();
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
+    WriteAsOperand(*cerr.stream() << " ", Ops[i].Op, false, M)
+      << "," << Ops[i].Rank;
+}
+  
+namespace {
+  class VISIBILITY_HIDDEN Reassociate : public FunctionPass {
+    std::map<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
+    std::map<Value*, unsigned> ValueRankMap;
+    bool MadeChange;
   public:
-    const char *getPassName() const {
-      return "Expression Reassociation";
-    }
+    static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
+    Reassociate() : FunctionPass((intptr_t)&ID) {}
 
-    bool runOnFunction(Function *F);
+    bool runOnFunction(Function &F);
 
     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
-      AU.preservesCFG();
+      AU.setPreservesCFG();
     }
   private:
-    void BuildRankMap(Function *F);
+    void BuildRankMap(Function &F);
     unsigned getRank(Value *V);
-    bool ReassociateExpr(BinaryOperator *I);
-    bool ReassociateBB(BasicBlock *BB);
+    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);
+    Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
+    void ReassociateBB(BasicBlock *BB);
+    
+    void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
   };
 }
 
-Pass *createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
+char Reassociate::ID = 0;
+static RegisterPass<Reassociate> X("reassociate", "Reassociate expressions");
+
+// 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);
+}
+
+
+static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
+  if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
+      I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
+      I->getOpcode() == Instruction::Load ||
+      I->getOpcode() == Instruction::Malloc ||
+      I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
+      I->getOpcode() == Instruction::Call ||
+      I->getOpcode() == Instruction::UDiv || 
+      I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
+      I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
+      I->getOpcode() == Instruction::URem ||
+      I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
+      I->getOpcode() == Instruction::FRem)
+    return true;
+  return false;
+}
+
+void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
+  unsigned i = 2;
+
+  // Assign distinct ranks to function arguments
+  for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
+    ValueRankMap[I] = ++i;
 
-void Reassociate::BuildRankMap(Function *F) {
-  unsigned i = 1;
-  ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(F);
+  ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
-         E = RPOT.end(); I != E; ++I)
-    RankMap[*I] = ++i;
+         E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
+    BasicBlock *BB = *I;
+    unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
+
+    // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
+    // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
+    // all different in the block.
+    for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
+      if (isUnmovableInstruction(I))
+        ValueRankMap[I] = ++BBRank;
+  }
 }
 
 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
-  if (isa<Argument>(V)) return 1;   // Function argument...
-  if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
-    // If this is an expression, return the MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that we
-    // can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse for
-    // PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there cannot
-    // be loops in the value graph (except for PHI nodes).
-    //
-    if (I->getOpcode() == Instruction::PHINode ||
-        I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
-        I->getOpcode() == Instruction::Malloc || isa<TerminatorInst>(I) ||
-        I->hasSideEffects())
-      return RankMap[I->getParent()];
-
-    unsigned Rank = 0;
-    for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
-      Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
-
-    return Rank;
-  }
+  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.
+
+  unsigned &CachedRank = ValueRankMap[I];
+  if (CachedRank) return CachedRank;    // 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
+  // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
+  // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
+  unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
+  for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
+       i != e && Rank != MaxRank; ++i)
+    Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
+
+  // 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() ||
+      (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
+    ++Rank;
 
-  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
+  //DOUT << "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;
 }
 
+/// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
+///
+static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
+  Constant *Cst = ConstantInt::getAllOnesValue(Neg->getType());
 
-// isCommutativeOperator - Return true if the specified instruction is
-// commutative and associative.  If the instruction is not commutative and
-// associative, we can not reorder its operands!
-//
-static inline BinaryOperator *isCommutativeOperator(Instruction *I) {
-  // Floating point operations do not commute!
-  if (I->getType()->isFloatingPoint()) return 0;
-
-  if (I->getOpcode() == Instruction::Add || 
-      I->getOpcode() == Instruction::Mul ||
-      I->getOpcode() == Instruction::And || 
-      I->getOpcode() == Instruction::Or  ||
-      I->getOpcode() == Instruction::Xor)
-    return cast<BinaryOperator>(I);
-  return 0;    
-}
-
-
-bool Reassociate::ReassociateExpr(BinaryOperator *I) {
-  Value *LHS = I->getOperand(0);
-  Value *RHS = I->getOperand(1);
-  unsigned LHSRank = getRank(LHS);
-  unsigned RHSRank = getRank(RHS);
-  
-  bool Changed = false;
-
-  // Make sure the LHS of the operand always has the greater rank...
-  if (LHSRank < RHSRank) {
-    I->swapOperands();
-    std::swap(LHS, RHS);
-    std::swap(LHSRank, RHSRank);
-    Changed = true;
-    ++NumSwapped;
-    //cerr << "Transposed: " << I << " Result BB: " << I->getParent();
+  Instruction *Res = BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
+  Res->takeName(Neg);
+  Neg->replaceAllUsesWith(Res);
+  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?");
+
+  DOUT << "Linear" << *LHS << *RHS << *I;
+
+  // 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);
+
+  ++NumLinear;
+  MadeChange = true;
+  DOUT << "Linearized: " << *I;
+
+  // If D is part of this expression tree, tail recurse.
+  if (isReassociableOp(I->getOperand(1), I->getOpcode()))
+    LinearizeExpr(I);
+}
+
+
+/// 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.
+///
+/// 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.
+///
+void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
+                                    std::vector<ValueEntry> &Ops) {
+  Value *LHS = I->getOperand(0), *RHS = I->getOperand(1);
+  unsigned Opcode = I->getOpcode();
+
+  // 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));
+      LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
+    }
+    if (!RHSBO && RHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(RHS)) {
+      RHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(RHS));
+      RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
+    }
+  }
+
+  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");
+      MadeChange = true;
+    }
+  } 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);
+
+  // Linearize the expression tree on the LHS.
+  LinearizeExprTree(LHSBO, Ops);
+
+  // 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()));
+}
+
+// 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.
+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);
+      DOUT << "RA: " << *I;
+      I->setOperand(0, Ops[i].Op);
+      I->setOperand(1, Ops[i+1].Op);
+      DOUT << "TO: " << *I;
+      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);
+    }
+    return;
   }
+  assert(i+2 < Ops.size() && "Ops index out of range!");
+
+  if (I->getOperand(1) != Ops[i].Op) {
+    DOUT << "RA: " << *I;
+    I->setOperand(1, Ops[i].Op);
+    DOUT << "TO: " << *I;
+    MadeChange = true;
+    ++NumChanged;
+  }
+  
+  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);
+}
+
+
+
+// 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) {
+  // 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,
+  // this means that we turn this:
+  //   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...
+  //
+  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;
+    }
+
+  // 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(Instruction *Sub) {
+  // If this is a negation, we can't split it up!
+  if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
+    return false;
   
-  // If the LHS is the same operator as the current one is, and if we are the
-  // only expression using it...
+  // 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) ||
+      isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
+    return true;
+  if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
+      isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
+    return true;
+  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(Instruction *Sub) {
+  // Convert a subtract into an add and a neg instruction... so that sub
+  // instructions can 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...
   //
-  if (BinaryOperator *LHSI = dyn_cast<BinaryOperator>(LHS))
-    if (LHSI->getOpcode() == I->getOpcode() && LHSI->use_size() == 1) {
-      // If the rank of our current RHS is less than the rank of the LHS's LHS,
-      // then we reassociate the two instructions...
-      if (RHSRank < getRank(LHSI->getOperand(0))) {
-        unsigned TakeOp = 0;
-        if (BinaryOperator *IOp = dyn_cast<BinaryOperator>(LHSI->getOperand(0)))
-          if (IOp->getOpcode() == LHSI->getOpcode())
-            TakeOp = 1;   // Hoist out non-tree portion
-
-        // Convert ((a + 12) + 10) into (a + (12 + 10))
-        I->setOperand(0, LHSI->getOperand(TakeOp));
-        LHSI->setOperand(TakeOp, RHS);
-        I->setOperand(1, LHSI);
-
-        ++NumChanged;
-        //cerr << "Reassociated: " << I << " Result BB: " << I->getParent();
-
-        // Since we modified the RHS instruction, make sure that we recheck it.
-        ReassociateExpr(LHSI);
-        return true;
+  Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
+  Instruction *New =
+    BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
+  New->takeName(Sub);
+
+  // Everyone now refers to the add instruction.
+  Sub->replaceAllUsesWith(New);
+  Sub->eraseFromParent();
+
+  DOUT << "Negated: " << *New;
+  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) {
+  // 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);
+    Mul->takeName(Shl);
+    Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
+    Shl->eraseFromParent();
+    return Mul;
+  }
+  return 0;
+}
+
+// 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,
+                                  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
+  for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
+    if (Ops[j].Op == X)
+      return j;
+  return 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) {
+  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 
+/// 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);
+
+  bool FoundFactor = 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 (!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;
+}
+
+/// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
+/// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
+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) {
+    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);
+}
+
+
+
+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;
+
+  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);
+    }
+
+  // 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;
+      }
+      // FALLTHROUGH!
+    case Instruction::Add:
+    case Instruction::Xor:
+      if (CstVal->isZero())                  // ... [|^+] 0 -> ...
+        Ops.pop_back();
+      break;
+    }
+  if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
+
+  // Handle destructive annihilation do to identities between elements in the
+  // argument list here.
+  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 ConstantInt::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;
+        }
+      }
+    }
+    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]; }
+              }
+            }
+          }
+        }
       }
     }
 
-  return Changed;
+    // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
+    if (MaxOcc > 1) {
+      DOUT << "\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);
+    }
+    break;
+  //case Instruction::Mul:
+  }
+
+  if (IterateOptimization)
+    return OptimizeExpression(I, Ops);
+  return 0;
 }
 
 
-bool Reassociate::ReassociateBB(BasicBlock *BB) {
-  bool Changed = false;
-  for (BasicBlock::iterator BI = BB->begin(); BI != BB->end(); ++BI) {
-    Instruction *Inst = *BI;
+/// ReassociateBB - Inspect all of the instructions in this basic block,
+/// reassociating them as we go.
+void Reassociate::ReassociateBB(BasicBlock *BB) {
+  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)) {
+        MadeChange = true;
+        BI = NI;
+      }
 
-    // If this instruction is a commutative binary operator, and the ranks of
-    // the two operands are sorted incorrectly, fix it now.
-    //
-    if (BinaryOperator *I = isCommutativeOperator(Inst)) {
-      // Make sure that this expression is correctly reassociated with respect
-      // to it's used values...
-      //
-      Changed |= ReassociateExpr(I);
+    // 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.
 
-    } else if (Inst->getOpcode() == Instruction::Sub &&
-               Inst->getOperand(0) != Constant::getNullValue(Inst->getType())) {
-      // Convert a subtract into an add and a neg instruction... so that sub
-      // instructions can be commuted with other add instructions...
-      //
-      Instruction *New = BinaryOperator::create(Instruction::Add,
-                                                Inst->getOperand(0), Inst,
-                                                Inst->getName());
-      // Everyone now refers to the add instruction...
-      Inst->replaceAllUsesWith(New);
-      Inst->setName(Inst->getOperand(1)->getName()+".neg");
-      New->setOperand(1, Inst);        // Except for the add inst itself!
-
-      BI = BB->getInstList().insert(BI+1, New)-1;  // Add to the basic block...
-      Inst->setOperand(0, Constant::getNullValue(Inst->getType()));
-      Changed = true;
+    // 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);
+        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);
+          MadeChange = true;
+        }
+      }
     }
+
+    // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
+    if (!BI->isAssociative()) continue;
+    BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
+
+    // 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 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;
+
+    ReassociateExpression(I);
   }
+}
 
-  return Changed;
+void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
+  
+  // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting
+  std::vector<ValueEntry> Ops;
+  LinearizeExprTree(I, Ops);
+  
+  DOUT << "RAIn:\t"; DEBUG(PrintOps(I, Ops)); DOUT << "\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
+  // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
+  // 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)) {
+    // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
+    // eliminate it.
+    DOUT << "Reassoc to scalar: " << *V << "\n";
+    I->replaceAllUsesWith(V);
+    RemoveDeadBinaryOp(I);
+    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
+  // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
+  if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
+      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();
+  }
+  
+  DOUT << "RAOut:\t"; DEBUG(PrintOps(I, Ops)); DOUT << "\n";
+  
+  if (Ops.size() == 1) {
+    // 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);
+  }
 }
 
 
-bool Reassociate::runOnFunction(Function *F) {
+bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
   // Recalculate the rank map for F
   BuildRankMap(F);
 
-  bool Changed = false;
-  for (Function::iterator FI = F->begin(), FE = F->end(); FI != FE; ++FI)
-    Changed |= ReassociateBB(*FI);
+  MadeChange = false;
+  for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
+    ReassociateBB(FI);
 
   // We are done with the rank map...
   RankMap.clear();
-  return Changed;
+  ValueRankMap.clear();
+  return MadeChange;
 }
+