Add an isOne() utility function to ScalarEvolution, similar to isZero()
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / ScalarEvolution.h
1 //===- llvm/Analysis/ScalarEvolution.h - Scalar Evolution -------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // The ScalarEvolution class is an LLVM pass which can be used to analyze and
11 // catagorize scalar expressions in loops.  It specializes in recognizing
12 // general induction variables, representing them with the abstract and opaque
13 // SCEV class.  Given this analysis, trip counts of loops and other important
14 // properties can be obtained.
15 //
16 // This analysis is primarily useful for induction variable substitution and
17 // strength reduction.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #ifndef LLVM_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H
22 #define LLVM_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H
23
24 #include "llvm/Pass.h"
25 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
26 #include "llvm/Support/DataTypes.h"
27 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
28 #include <iosfwd>
29
30 namespace llvm {
31   class APInt;
32   class ConstantInt;
33   class Type;
34   class SCEVHandle;
35   class ScalarEvolution;
36   class TargetData;
37
38   /// SCEV - This class represent an analyzed expression in the program.  These
39   /// are reference counted opaque objects that the client is not allowed to
40   /// do much with directly.
41   ///
42   class SCEV {
43     const unsigned SCEVType;      // The SCEV baseclass this node corresponds to
44     mutable unsigned RefCount;
45
46     friend class SCEVHandle;
47     void addRef() const { ++RefCount; }
48     void dropRef() const {
49       if (--RefCount == 0)
50         delete this;
51     }
52
53     SCEV(const SCEV &);            // DO NOT IMPLEMENT
54     void operator=(const SCEV &);  // DO NOT IMPLEMENT
55   protected:
56     virtual ~SCEV();
57   public:
58     explicit SCEV(unsigned SCEVTy) : SCEVType(SCEVTy), RefCount(0) {}
59
60     unsigned getSCEVType() const { return SCEVType; }
61
62     /// isLoopInvariant - Return true if the value of this SCEV is unchanging in
63     /// the specified loop.
64     virtual bool isLoopInvariant(const Loop *L) const = 0;
65
66     /// hasComputableLoopEvolution - Return true if this SCEV changes value in a
67     /// known way in the specified loop.  This property being true implies that
68     /// the value is variant in the loop AND that we can emit an expression to
69     /// compute the value of the expression at any particular loop iteration.
70     virtual bool hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const = 0;
71
72     /// getType - Return the LLVM type of this SCEV expression.
73     ///
74     virtual const Type *getType() const = 0;
75
76     /// isZero - Return true if the expression is a constant zero.
77     ///
78     bool isZero() const;
79
80     /// isOne - Return true if the expression is a constant one.
81     ///
82     bool isOne() const;
83
84     /// replaceSymbolicValuesWithConcrete - If this SCEV internally references
85     /// the symbolic value "Sym", construct and return a new SCEV that produces
86     /// the same value, but which uses the concrete value Conc instead of the
87     /// symbolic value.  If this SCEV does not use the symbolic value, it
88     /// returns itself.
89     virtual SCEVHandle
90     replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
91                                       const SCEVHandle &Conc,
92                                       ScalarEvolution &SE) const = 0;
93
94     /// dominates - Return true if elements that makes up this SCEV dominates
95     /// the specified basic block.
96     virtual bool dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const = 0;
97
98     /// print - Print out the internal representation of this scalar to the
99     /// specified stream.  This should really only be used for debugging
100     /// purposes.
101     virtual void print(raw_ostream &OS) const = 0;
102     void print(std::ostream &OS) const;
103     void print(std::ostream *OS) const { if (OS) print(*OS); }
104
105     /// dump - This method is used for debugging.
106     ///
107     void dump() const;
108   };
109
110   inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS, const SCEV &S) {
111     S.print(OS);
112     return OS;
113   }
114
115   inline std::ostream &operator<<(std::ostream &OS, const SCEV &S) {
116     S.print(OS);
117     return OS;
118   }
119
120   /// SCEVCouldNotCompute - An object of this class is returned by queries that
121   /// could not be answered.  For example, if you ask for the number of
122   /// iterations of a linked-list traversal loop, you will get one of these.
123   /// None of the standard SCEV operations are valid on this class, it is just a
124   /// marker.
125   struct SCEVCouldNotCompute : public SCEV {
126     SCEVCouldNotCompute();
127     ~SCEVCouldNotCompute();
128
129     // None of these methods are valid for this object.
130     virtual bool isLoopInvariant(const Loop *L) const;
131     virtual const Type *getType() const;
132     virtual bool hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const;
133     virtual void print(raw_ostream &OS) const;
134     virtual SCEVHandle
135     replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
136                                       const SCEVHandle &Conc,
137                                       ScalarEvolution &SE) const;
138
139     virtual bool dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
140       return true;
141     }
142
143     /// Methods for support type inquiry through isa, cast, and dyn_cast:
144     static inline bool classof(const SCEVCouldNotCompute *S) { return true; }
145     static bool classof(const SCEV *S);
146   };
147
148   /// SCEVCallbackVH - A CallbackVH to arrange for ScalarEvolution to be
149   /// notified whenever a Value is deleted.
150   class SCEVCallbackVH : public CallbackVH {
151     ScalarEvolution *SE;
152     virtual void deleted();
153     virtual void allUsesReplacedWith(Value *New);
154   public:
155     SCEVCallbackVH(Value *V, ScalarEvolution *SE = 0);
156   };
157
158   /// SCEVHandle - This class is used to maintain the SCEV object's refcounts,
159   /// freeing the objects when the last reference is dropped.
160   class SCEVHandle {
161     const SCEV *S;
162     SCEVHandle();  // DO NOT IMPLEMENT
163   public:
164     SCEVHandle(const SCEV *s) : S(s) {
165       assert(S && "Cannot create a handle to a null SCEV!");
166       S->addRef();
167     }
168     SCEVHandle(const SCEVHandle &RHS) : S(RHS.S) {
169       S->addRef();
170     }
171     ~SCEVHandle() { S->dropRef(); }
172
173     operator const SCEV*() const { return S; }
174
175     const SCEV &operator*() const { return *S; }
176     const SCEV *operator->() const { return S; }
177
178     bool operator==(const SCEV *RHS) const { return S == RHS; }
179     bool operator!=(const SCEV *RHS) const { return S != RHS; }
180
181     const SCEVHandle &operator=(SCEV *RHS) {
182       if (S != RHS) {
183         S->dropRef();
184         S = RHS;
185         S->addRef();
186       }
187       return *this;
188     }
189
190     const SCEVHandle &operator=(const SCEVHandle &RHS) {
191       if (S != RHS.S) {
192         S->dropRef();
193         S = RHS.S;
194         S->addRef();
195       }
196       return *this;
197     }
198   };
199
200   template<typename From> struct simplify_type;
201   template<> struct simplify_type<const SCEVHandle> {
202     typedef const SCEV* SimpleType;
203     static SimpleType getSimplifiedValue(const SCEVHandle &Node) {
204       return Node;
205     }
206   };
207   template<> struct simplify_type<SCEVHandle>
208     : public simplify_type<const SCEVHandle> {};
209
210   /// ScalarEvolution - This class is the main scalar evolution driver.  Because
211   /// client code (intentionally) can't do much with the SCEV objects directly,
212   /// they must ask this class for services.
213   ///
214   class ScalarEvolution : public FunctionPass {
215     friend class SCEVCallbackVH;
216
217     /// F - The function we are analyzing.
218     ///
219     Function *F;
220
221     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
222     ///
223     LoopInfo *LI;
224
225     /// TD - The target data information for the target we are targetting.
226     ///
227     TargetData *TD;
228
229     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
230     /// things.
231     SCEVHandle UnknownValue;
232
233     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
234     ///
235     std::map<SCEVCallbackVH, SCEVHandle> Scalars;
236
237     /// BackedgeTakenInfo - Information about the backedge-taken count
238     /// of a loop. This currently inclues an exact count and a maximum count.
239     ///
240     struct BackedgeTakenInfo {
241       /// Exact - An expression indicating the exact backedge-taken count of
242       /// the loop if it is known, or a SCEVCouldNotCompute otherwise.
243       SCEVHandle Exact;
244
245       /// Exact - An expression indicating the least maximum backedge-taken
246       /// count of the loop that is known, or a SCEVCouldNotCompute.
247       SCEVHandle Max;
248
249       /*implicit*/ BackedgeTakenInfo(SCEVHandle exact) :
250         Exact(exact), Max(exact) {}
251
252       /*implicit*/ BackedgeTakenInfo(const SCEV *exact) :
253         Exact(exact), Max(exact) {}
254
255       BackedgeTakenInfo(SCEVHandle exact, SCEVHandle max) :
256         Exact(exact), Max(max) {}
257
258       /// hasAnyInfo - Test whether this BackedgeTakenInfo contains any
259       /// computed information, or whether it's all SCEVCouldNotCompute
260       /// values.
261       bool hasAnyInfo() const {
262         return !isa<SCEVCouldNotCompute>(Exact) ||
263                !isa<SCEVCouldNotCompute>(Max);
264       }
265     };
266
267     /// BackedgeTakenCounts - Cache the backedge-taken count of the loops for
268     /// this function as they are computed.
269     std::map<const Loop*, BackedgeTakenInfo> BackedgeTakenCounts;
270
271     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
272     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
273     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
274     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
275     /// exit value.
276     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
277
278     /// ValuesAtScopes - This map contains entries for all the instructions
279     /// that we attempt to compute getSCEVAtScope information for without
280     /// using SCEV techniques, which can be expensive.
281     std::map<Instruction *, std::map<const Loop *, Constant *> > ValuesAtScopes;
282
283     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
284     /// Analyze the expression.
285     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
286
287     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
288     /// SCEVs.
289     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
290
291     /// createNodeForGEP - Provide the special handling we need to analyze GEP
292     /// SCEVs.
293     SCEVHandle createNodeForGEP(User *GEP);
294
295     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
296     /// for the specified instruction and replaces any references to the
297     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
298     /// PHI resolution.
299     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
300                                           const SCEVHandle &SymName,
301                                           const SCEVHandle &NewVal);
302
303     /// getBackedgeTakenInfo - Return the BackedgeTakenInfo for the given
304     /// loop, lazily computing new values if the loop hasn't been analyzed
305     /// yet.
306     const BackedgeTakenInfo &getBackedgeTakenInfo(const Loop *L);
307
308     /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the specified
309     /// loop will iterate.
310     BackedgeTakenInfo ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L);
311
312     /// ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount - Given an exit condition
313     /// of 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
314     SCEVHandle
315       ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LoadInst *LI,
316                                                    Constant *RHS,
317                                                    const Loop *L,
318                                                    ICmpInst::Predicate p);
319
320     /// ComputeBackedgeTakenCountExhaustively - If the trip is known to execute
321     /// a constant number of times (the condition evolves only from constants),
322     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
323     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
324     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
325     SCEVHandle ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
326                                                      bool ExitWhen);
327
328     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
329     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
330     /// UnknownValue.
331     SCEVHandle HowFarToZero(const SCEV *V, const Loop *L);
332
333     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
334     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
335     /// UnknownValue.
336     SCEVHandle HowFarToNonZero(const SCEV *V, const Loop *L);
337
338     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
339     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
340     /// UnknownValue. isSigned specifies whether the less-than is signed.
341     BackedgeTakenInfo HowManyLessThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
342                                        const Loop *L, bool isSigned);
343
344     /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
345     /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
346     /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
347     /// found.
348     BasicBlock* getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB);
349
350     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
351     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
352     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
353     /// involving constants, fold it.
354     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& BEs,
355                                                 const Loop *L);
356
357     /// forgetLoopPHIs - Delete the memoized SCEVs associated with the
358     /// PHI nodes in the given loop. This is used when the trip count of
359     /// the loop may have changed.
360     void forgetLoopPHIs(const Loop *L);
361
362   public:
363     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
364     ScalarEvolution();
365
366     /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
367     /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
368     /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
369     /// has access to target-specific information.
370     bool isSCEVable(const Type *Ty) const;
371
372     /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
373     /// for which isSCEVable must return true.
374     uint64_t getTypeSizeInBits(const Type *Ty) const;
375
376     /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
377     /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
378     /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
379     /// this is the pointer-sized integer type.
380     const Type *getEffectiveSCEVType(const Type *Ty) const;
381
382     /// getSCEV - Return a SCEV expression handle for the full generality of the
383     /// specified expression.
384     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
385
386     SCEVHandle getConstant(ConstantInt *V);
387     SCEVHandle getConstant(const APInt& Val);
388     SCEVHandle getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty);
389     SCEVHandle getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty);
390     SCEVHandle getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty);
391     SCEVHandle getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops);
392     SCEVHandle getAddExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
393       std::vector<SCEVHandle> Ops;
394       Ops.push_back(LHS);
395       Ops.push_back(RHS);
396       return getAddExpr(Ops);
397     }
398     SCEVHandle getAddExpr(const SCEVHandle &Op0, const SCEVHandle &Op1,
399                           const SCEVHandle &Op2) {
400       std::vector<SCEVHandle> Ops;
401       Ops.push_back(Op0);
402       Ops.push_back(Op1);
403       Ops.push_back(Op2);
404       return getAddExpr(Ops);
405     }
406     SCEVHandle getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops);
407     SCEVHandle getMulExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
408       std::vector<SCEVHandle> Ops;
409       Ops.push_back(LHS);
410       Ops.push_back(RHS);
411       return getMulExpr(Ops);
412     }
413     SCEVHandle getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS);
414     SCEVHandle getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start, const SCEVHandle &Step,
415                              const Loop *L);
416     SCEVHandle getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
417                              const Loop *L);
418     SCEVHandle getAddRecExpr(const std::vector<SCEVHandle> &Operands,
419                              const Loop *L) {
420       std::vector<SCEVHandle> NewOp(Operands);
421       return getAddRecExpr(NewOp, L);
422     }
423     SCEVHandle getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS);
424     SCEVHandle getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Operands);
425     SCEVHandle getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS);
426     SCEVHandle getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Operands);
427     SCEVHandle getUnknown(Value *V);
428     SCEVHandle getCouldNotCompute();
429
430     /// getNegativeSCEV - Return the SCEV object corresponding to -V.
431     ///
432     SCEVHandle getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V);
433
434     /// getNotSCEV - Return the SCEV object corresponding to ~V.
435     ///
436     SCEVHandle getNotSCEV(const SCEVHandle &V);
437
438     /// getMinusSCEV - Return LHS-RHS.
439     ///
440     SCEVHandle getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
441                             const SCEVHandle &RHS);
442
443     /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
444     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
445     /// extended, it is zero extended.
446     SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty);
447
448     /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
449     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
450     /// extended, it is sign extended.
451     SCEVHandle getTruncateOrSignExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty);
452
453     /// getNoopOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
454     /// the input value to the specified type.  If the type must be extended,
455     /// it is zero extended.  The conversion must not be narrowing.
456     SCEVHandle getNoopOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty);
457
458     /// getNoopOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
459     /// the input value to the specified type.  If the type must be extended,
460     /// it is sign extended.  The conversion must not be narrowing.
461     SCEVHandle getNoopOrSignExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty);
462
463     /// getTruncateOrNoop - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
464     /// input value to the specified type.  The conversion must not be
465     /// widening.
466     SCEVHandle getTruncateOrNoop(const SCEVHandle &V, const Type *Ty);
467
468     /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
469     /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
470     SCEVHandle getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty);
471
472     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
473     /// computed.
474     bool hasSCEV(Value *V) const;
475
476     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
477     /// the specified value.
478     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H);
479
480     /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression handle for the specified value
481     /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
482     /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
483     /// specified loop is immediately inside of the loop.
484     ///
485     /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
486     /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
487     ///
488     /// If this value is not computable at this scope, a SCEVCouldNotCompute
489     /// object is returned.
490     SCEVHandle getSCEVAtScope(const SCEV *S, const Loop *L);
491
492     /// getSCEVAtScope - This is a convenience function which does
493     /// getSCEVAtScope(getSCEV(V), L).
494     SCEVHandle getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L);
495
496     /// isLoopGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected by
497     /// a conditional between LHS and RHS.  This is used to help avoid max
498     /// expressions in loop trip counts.
499     bool isLoopGuardedByCond(const Loop *L, ICmpInst::Predicate Pred,
500                              const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
501
502     /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
503     /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
504     /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
505     /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
506     /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
507     /// when the header is branched to from outside the loop.
508     ///
509     /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
510     /// loop-invariant backedge-taken count (see
511     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
512     ///
513     SCEVHandle getBackedgeTakenCount(const Loop *L);
514
515     /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
516     /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
517     /// actual backedge taken count.
518     SCEVHandle getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L);
519
520     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount - Return true if the specified loop
521     /// has an analyzable loop-invariant backedge-taken count.
522     bool hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L);
523
524     /// forgetLoopBackedgeTakenCount - This method should be called by the
525     /// client when it has changed a loop in a way that may effect
526     /// ScalarEvolution's ability to compute a trip count, or if the loop
527     /// is deleted.
528     void forgetLoopBackedgeTakenCount(const Loop *L);
529
530     virtual bool runOnFunction(Function &F);
531     virtual void releaseMemory();
532     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
533     void print(raw_ostream &OS, const Module* = 0) const;
534     virtual void print(std::ostream &OS, const Module* = 0) const;
535     void print(std::ostream *OS, const Module* M = 0) const {
536       if (OS) print(*OS, M);
537     }
538   };
539 }
540
541 #endif