[SCEV] Unify getUnsignedRange and getSignedRange
[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 // categorize 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/ADT/DenseSet.h"
25 #include "llvm/ADT/FoldingSet.h"
26 #include "llvm/IR/ConstantRange.h"
27 #include "llvm/IR/Function.h"
28 #include "llvm/IR/Instructions.h"
29 #include "llvm/IR/Operator.h"
30 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
31 #include "llvm/Pass.h"
32 #include "llvm/Support/Allocator.h"
33 #include "llvm/Support/DataTypes.h"
34 #include <map>
35
36 namespace llvm {
37   class APInt;
38   class AssumptionCache;
39   class Constant;
40   class ConstantInt;
41   class DominatorTree;
42   class Type;
43   class ScalarEvolution;
44   class DataLayout;
45   class TargetLibraryInfo;
46   class LLVMContext;
47   class Loop;
48   class LoopInfo;
49   class Operator;
50   class SCEVUnknown;
51   class SCEV;
52   template<> struct FoldingSetTrait<SCEV>;
53
54   /// SCEV - This class represents an analyzed expression in the program.  These
55   /// are opaque objects that the client is not allowed to do much with
56   /// directly.
57   ///
58   class SCEV : public FoldingSetNode {
59     friend struct FoldingSetTrait<SCEV>;
60
61     /// FastID - A reference to an Interned FoldingSetNodeID for this node.
62     /// The ScalarEvolution's BumpPtrAllocator holds the data.
63     FoldingSetNodeIDRef FastID;
64
65     // The SCEV baseclass this node corresponds to
66     const unsigned short SCEVType;
67
68   protected:
69     /// SubclassData - This field is initialized to zero and may be used in
70     /// subclasses to store miscellaneous information.
71     unsigned short SubclassData;
72
73   private:
74     SCEV(const SCEV &) = delete;
75     void operator=(const SCEV &) = delete;
76
77   public:
78     /// NoWrapFlags are bitfield indices into SubclassData.
79     ///
80     /// Add and Mul expressions may have no-unsigned-wrap <NUW> or
81     /// no-signed-wrap <NSW> properties, which are derived from the IR
82     /// operator. NSW is a misnomer that we use to mean no signed overflow or
83     /// underflow.
84     ///
85     /// AddRec expressions may have a no-self-wraparound <NW> property if, in
86     /// the integer domain, abs(step) * max-iteration(loop) <=
87     /// unsigned-max(bitwidth).  This means that the recurrence will never reach
88     /// its start value if the step is non-zero.  Computing the same value on
89     /// each iteration is not considered wrapping, and recurrences with step = 0
90     /// are trivially <NW>.  <NW> is independent of the sign of step and the
91     /// value the add recurrence starts with.
92     ///
93     /// Note that NUW and NSW are also valid properties of a recurrence, and
94     /// either implies NW. For convenience, NW will be set for a recurrence
95     /// whenever either NUW or NSW are set.
96     enum NoWrapFlags { FlagAnyWrap = 0,          // No guarantee.
97                        FlagNW      = (1 << 0),   // No self-wrap.
98                        FlagNUW     = (1 << 1),   // No unsigned wrap.
99                        FlagNSW     = (1 << 2),   // No signed wrap.
100                        NoWrapMask  = (1 << 3) -1 };
101
102     explicit SCEV(const FoldingSetNodeIDRef ID, unsigned SCEVTy) :
103       FastID(ID), SCEVType(SCEVTy), SubclassData(0) {}
104
105     unsigned getSCEVType() const { return SCEVType; }
106
107     /// getType - Return the LLVM type of this SCEV expression.
108     ///
109     Type *getType() const;
110
111     /// isZero - Return true if the expression is a constant zero.
112     ///
113     bool isZero() const;
114
115     /// isOne - Return true if the expression is a constant one.
116     ///
117     bool isOne() const;
118
119     /// isAllOnesValue - Return true if the expression is a constant
120     /// all-ones value.
121     ///
122     bool isAllOnesValue() const;
123
124     /// isNonConstantNegative - Return true if the specified scev is negated,
125     /// but not a constant.
126     bool isNonConstantNegative() const;
127
128     /// print - Print out the internal representation of this scalar to the
129     /// specified stream.  This should really only be used for debugging
130     /// purposes.
131     void print(raw_ostream &OS) const;
132
133 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
134     /// dump - This method is used for debugging.
135     ///
136     void dump() const;
137 #endif
138   };
139
140   // Specialize FoldingSetTrait for SCEV to avoid needing to compute
141   // temporary FoldingSetNodeID values.
142   template<> struct FoldingSetTrait<SCEV> : DefaultFoldingSetTrait<SCEV> {
143     static void Profile(const SCEV &X, FoldingSetNodeID& ID) {
144       ID = X.FastID;
145     }
146     static bool Equals(const SCEV &X, const FoldingSetNodeID &ID,
147                        unsigned IDHash, FoldingSetNodeID &TempID) {
148       return ID == X.FastID;
149     }
150     static unsigned ComputeHash(const SCEV &X, FoldingSetNodeID &TempID) {
151       return X.FastID.ComputeHash();
152     }
153   };
154
155   inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS, const SCEV &S) {
156     S.print(OS);
157     return OS;
158   }
159
160   /// SCEVCouldNotCompute - An object of this class is returned by queries that
161   /// could not be answered.  For example, if you ask for the number of
162   /// iterations of a linked-list traversal loop, you will get one of these.
163   /// None of the standard SCEV operations are valid on this class, it is just a
164   /// marker.
165   struct SCEVCouldNotCompute : public SCEV {
166     SCEVCouldNotCompute();
167
168     /// Methods for support type inquiry through isa, cast, and dyn_cast:
169     static bool classof(const SCEV *S);
170   };
171
172   /// ScalarEvolution - This class is the main scalar evolution driver.  Because
173   /// client code (intentionally) can't do much with the SCEV objects directly,
174   /// they must ask this class for services.
175   ///
176   class ScalarEvolution : public FunctionPass {
177   public:
178     /// LoopDisposition - An enum describing the relationship between a
179     /// SCEV and a loop.
180     enum LoopDisposition {
181       LoopVariant,    ///< The SCEV is loop-variant (unknown).
182       LoopInvariant,  ///< The SCEV is loop-invariant.
183       LoopComputable  ///< The SCEV varies predictably with the loop.
184     };
185
186     /// BlockDisposition - An enum describing the relationship between a
187     /// SCEV and a basic block.
188     enum BlockDisposition {
189       DoesNotDominateBlock,  ///< The SCEV does not dominate the block.
190       DominatesBlock,        ///< The SCEV dominates the block.
191       ProperlyDominatesBlock ///< The SCEV properly dominates the block.
192     };
193
194     /// Convenient NoWrapFlags manipulation that hides enum casts and is
195     /// visible in the ScalarEvolution name space.
196     static SCEV::NoWrapFlags LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED_RESULT
197     maskFlags(SCEV::NoWrapFlags Flags, int Mask) {
198       return (SCEV::NoWrapFlags)(Flags & Mask);
199     }
200     static SCEV::NoWrapFlags LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED_RESULT
201     setFlags(SCEV::NoWrapFlags Flags, SCEV::NoWrapFlags OnFlags) {
202       return (SCEV::NoWrapFlags)(Flags | OnFlags);
203     }
204     static SCEV::NoWrapFlags LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED_RESULT
205     clearFlags(SCEV::NoWrapFlags Flags, SCEV::NoWrapFlags OffFlags) {
206       return (SCEV::NoWrapFlags)(Flags & ~OffFlags);
207     }
208
209   private:
210     /// SCEVCallbackVH - A CallbackVH to arrange for ScalarEvolution to be
211     /// notified whenever a Value is deleted.
212     class SCEVCallbackVH : public CallbackVH {
213       ScalarEvolution *SE;
214       void deleted() override;
215       void allUsesReplacedWith(Value *New) override;
216     public:
217       SCEVCallbackVH(Value *V, ScalarEvolution *SE = nullptr);
218     };
219
220     friend class SCEVCallbackVH;
221     friend class SCEVExpander;
222     friend class SCEVUnknown;
223
224     /// F - The function we are analyzing.
225     ///
226     Function *F;
227
228     /// The tracker for @llvm.assume intrinsics in this function.
229     AssumptionCache *AC;
230
231     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
232     ///
233     LoopInfo *LI;
234
235     /// The DataLayout information for the target we are targeting.
236     ///
237     const DataLayout *DL;
238
239     /// TLI - The target library information for the target we are targeting.
240     ///
241     TargetLibraryInfo *TLI;
242
243     /// DT - The dominator tree.
244     ///
245     DominatorTree *DT;
246
247     /// CouldNotCompute - This SCEV is used to represent unknown trip
248     /// counts and things.
249     SCEVCouldNotCompute CouldNotCompute;
250
251     /// ValueExprMapType - The typedef for ValueExprMap.
252     ///
253     typedef DenseMap<SCEVCallbackVH, const SCEV *, DenseMapInfo<Value *> >
254       ValueExprMapType;
255
256     /// ValueExprMap - This is a cache of the values we have analyzed so far.
257     ///
258     ValueExprMapType ValueExprMap;
259
260     /// Mark predicate values currently being processed by isImpliedCond.
261     DenseSet<Value*> PendingLoopPredicates;
262
263     /// ExitLimit - Information about the number of loop iterations for which a
264     /// loop exit's branch condition evaluates to the not-taken path.  This is a
265     /// temporary pair of exact and max expressions that are eventually
266     /// summarized in ExitNotTakenInfo and BackedgeTakenInfo.
267     struct ExitLimit {
268       const SCEV *Exact;
269       const SCEV *Max;
270
271       /*implicit*/ ExitLimit(const SCEV *E) : Exact(E), Max(E) {}
272
273       ExitLimit(const SCEV *E, const SCEV *M) : Exact(E), Max(M) {}
274
275       /// hasAnyInfo - Test whether this ExitLimit contains any computed
276       /// information, or whether it's all SCEVCouldNotCompute values.
277       bool hasAnyInfo() const {
278         return !isa<SCEVCouldNotCompute>(Exact) ||
279           !isa<SCEVCouldNotCompute>(Max);
280       }
281     };
282
283     /// ExitNotTakenInfo - Information about the number of times a particular
284     /// loop exit may be reached before exiting the loop.
285     struct ExitNotTakenInfo {
286       AssertingVH<BasicBlock> ExitingBlock;
287       const SCEV *ExactNotTaken;
288       PointerIntPair<ExitNotTakenInfo*, 1> NextExit;
289
290       ExitNotTakenInfo() : ExitingBlock(nullptr), ExactNotTaken(nullptr) {}
291
292       /// isCompleteList - Return true if all loop exits are computable.
293       bool isCompleteList() const {
294         return NextExit.getInt() == 0;
295       }
296
297       void setIncomplete() { NextExit.setInt(1); }
298
299       /// getNextExit - Return a pointer to the next exit's not-taken info.
300       ExitNotTakenInfo *getNextExit() const {
301         return NextExit.getPointer();
302       }
303
304       void setNextExit(ExitNotTakenInfo *ENT) { NextExit.setPointer(ENT); }
305     };
306
307     /// BackedgeTakenInfo - Information about the backedge-taken count
308     /// of a loop. This currently includes an exact count and a maximum count.
309     ///
310     class BackedgeTakenInfo {
311       /// ExitNotTaken - A list of computable exits and their not-taken counts.
312       /// Loops almost never have more than one computable exit.
313       ExitNotTakenInfo ExitNotTaken;
314
315       /// Max - An expression indicating the least maximum backedge-taken
316       /// count of the loop that is known, or a SCEVCouldNotCompute.
317       const SCEV *Max;
318
319     public:
320       BackedgeTakenInfo() : Max(nullptr) {}
321
322       /// Initialize BackedgeTakenInfo from a list of exact exit counts.
323       BackedgeTakenInfo(
324         SmallVectorImpl< std::pair<BasicBlock *, const SCEV *> > &ExitCounts,
325         bool Complete, const SCEV *MaxCount);
326
327       /// hasAnyInfo - Test whether this BackedgeTakenInfo contains any
328       /// computed information, or whether it's all SCEVCouldNotCompute
329       /// values.
330       bool hasAnyInfo() const {
331         return ExitNotTaken.ExitingBlock || !isa<SCEVCouldNotCompute>(Max);
332       }
333
334       /// getExact - Return an expression indicating the exact backedge-taken
335       /// count of the loop if it is known, or SCEVCouldNotCompute
336       /// otherwise. This is the number of times the loop header can be
337       /// guaranteed to execute, minus one.
338       const SCEV *getExact(ScalarEvolution *SE) const;
339
340       /// getExact - Return the number of times this loop exit may fall through
341       /// to the back edge, or SCEVCouldNotCompute. The loop is guaranteed not
342       /// to exit via this block before this number of iterations, but may exit
343       /// via another block.
344       const SCEV *getExact(BasicBlock *ExitingBlock, ScalarEvolution *SE) const;
345
346       /// getMax - Get the max backedge taken count for the loop.
347       const SCEV *getMax(ScalarEvolution *SE) const;
348
349       /// Return true if any backedge taken count expressions refer to the given
350       /// subexpression.
351       bool hasOperand(const SCEV *S, ScalarEvolution *SE) const;
352
353       /// clear - Invalidate this result and free associated memory.
354       void clear();
355     };
356
357     /// BackedgeTakenCounts - Cache the backedge-taken count of the loops for
358     /// this function as they are computed.
359     DenseMap<const Loop*, BackedgeTakenInfo> BackedgeTakenCounts;
360
361     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
362     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
363     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
364     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
365     /// exit value.
366     DenseMap<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
367
368     /// ValuesAtScopes - This map contains entries for all the expressions
369     /// that we attempt to compute getSCEVAtScope information for, which can
370     /// be expensive in extreme cases.
371     DenseMap<const SCEV *,
372              SmallVector<std::pair<const Loop *, const SCEV *>, 2> > ValuesAtScopes;
373
374     /// LoopDispositions - Memoized computeLoopDisposition results.
375     DenseMap<const SCEV *,
376              SmallVector<PointerIntPair<const Loop *, 2, LoopDisposition>, 2>>
377         LoopDispositions;
378
379     /// computeLoopDisposition - Compute a LoopDisposition value.
380     LoopDisposition computeLoopDisposition(const SCEV *S, const Loop *L);
381
382     /// BlockDispositions - Memoized computeBlockDisposition results.
383     DenseMap<
384         const SCEV *,
385         SmallVector<PointerIntPair<const BasicBlock *, 2, BlockDisposition>, 2>>
386         BlockDispositions;
387
388     /// computeBlockDisposition - Compute a BlockDisposition value.
389     BlockDisposition computeBlockDisposition(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
390
391     /// UnsignedRanges - Memoized results from getRange
392     DenseMap<const SCEV *, ConstantRange> UnsignedRanges;
393
394     /// SignedRanges - Memoized results from getRange
395     DenseMap<const SCEV *, ConstantRange> SignedRanges;
396
397     /// RangeSignHint - Used to parameterize getRange
398     enum RangeSignHint { HINT_RANGE_UNSIGNED, HINT_RANGE_SIGNED };
399
400     /// setRange - Set the memoized range for the given SCEV.
401     const ConstantRange &setRange(const SCEV *S, RangeSignHint Hint,
402                                   const ConstantRange &CR) {
403       DenseMap<const SCEV *, ConstantRange> &Cache =
404           Hint == HINT_RANGE_UNSIGNED ? UnsignedRanges : SignedRanges;
405
406       std::pair<DenseMap<const SCEV *, ConstantRange>::iterator, bool> Pair =
407           Cache.insert(std::make_pair(S, CR));
408       if (!Pair.second)
409         Pair.first->second = CR;
410       return Pair.first->second;
411     }
412
413     /// getRange - Determine the range for a particular SCEV.
414     ConstantRange getRange(const SCEV *S, RangeSignHint Hint);
415
416     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
417     /// Analyze the expression.
418     const SCEV *createSCEV(Value *V);
419
420     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
421     /// SCEVs.
422     const SCEV *createNodeForPHI(PHINode *PN);
423
424     /// createNodeForGEP - Provide the special handling we need to analyze GEP
425     /// SCEVs.
426     const SCEV *createNodeForGEP(GEPOperator *GEP);
427
428     /// computeSCEVAtScope - Implementation code for getSCEVAtScope; called
429     /// at most once for each SCEV+Loop pair.
430     ///
431     const SCEV *computeSCEVAtScope(const SCEV *S, const Loop *L);
432
433     /// ForgetSymbolicValue - This looks up computed SCEV values for all
434     /// instructions that depend on the given instruction and removes them from
435     /// the ValueExprMap map if they reference SymName. This is used during PHI
436     /// resolution.
437     void ForgetSymbolicName(Instruction *I, const SCEV *SymName);
438
439     /// getBackedgeTakenInfo - Return the BackedgeTakenInfo for the given
440     /// loop, lazily computing new values if the loop hasn't been analyzed
441     /// yet.
442     const BackedgeTakenInfo &getBackedgeTakenInfo(const Loop *L);
443
444     /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the specified
445     /// loop will iterate.
446     BackedgeTakenInfo ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L);
447
448     /// ComputeExitLimit - Compute the number of times the backedge of the
449     /// specified loop will execute if it exits via the specified block.
450     ExitLimit ComputeExitLimit(const Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
451
452     /// ComputeExitLimitFromCond - Compute the number of times the backedge of
453     /// the specified loop will execute if its exit condition were a conditional
454     /// branch of ExitCond, TBB, and FBB.
455     ExitLimit ComputeExitLimitFromCond(const Loop *L,
456                                        Value *ExitCond,
457                                        BasicBlock *TBB,
458                                        BasicBlock *FBB,
459                                        bool IsSubExpr);
460
461     /// ComputeExitLimitFromICmp - Compute the number of times the backedge of
462     /// the specified loop will execute if its exit condition were a conditional
463     /// branch of the ICmpInst ExitCond, TBB, and FBB.
464     ExitLimit ComputeExitLimitFromICmp(const Loop *L,
465                                        ICmpInst *ExitCond,
466                                        BasicBlock *TBB,
467                                        BasicBlock *FBB,
468                                        bool IsSubExpr);
469
470     /// ComputeExitLimitFromSingleExitSwitch - Compute the number of times the
471     /// backedge of the specified loop will execute if its exit condition were a
472     /// switch with a single exiting case to ExitingBB.
473     ExitLimit
474     ComputeExitLimitFromSingleExitSwitch(const Loop *L, SwitchInst *Switch,
475                                BasicBlock *ExitingBB, bool IsSubExpr);
476
477     /// ComputeLoadConstantCompareExitLimit - Given an exit condition
478     /// of 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the
479     /// backedge-taken count.
480     ExitLimit ComputeLoadConstantCompareExitLimit(LoadInst *LI,
481                                                   Constant *RHS,
482                                                   const Loop *L,
483                                                   ICmpInst::Predicate p);
484
485     /// ComputeExitCountExhaustively - If the loop is known to execute a
486     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
487     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
488     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
489     /// evaluate the exit count of the loop, return CouldNotCompute.
490     const SCEV *ComputeExitCountExhaustively(const Loop *L,
491                                              Value *Cond,
492                                              bool ExitWhen);
493
494     /// HowFarToZero - Return the number of times an exit condition comparing
495     /// the specified value to zero will execute.  If not computable, return
496     /// CouldNotCompute.
497     ExitLimit HowFarToZero(const SCEV *V, const Loop *L, bool IsSubExpr);
498
499     /// HowFarToNonZero - Return the number of times an exit condition checking
500     /// the specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
501     /// CouldNotCompute.
502     ExitLimit HowFarToNonZero(const SCEV *V, const Loop *L);
503
504     /// HowManyLessThans - Return the number of times an exit condition
505     /// containing the specified less-than comparison will execute.  If not
506     /// computable, return CouldNotCompute. isSigned specifies whether the
507     /// less-than is signed.
508     ExitLimit HowManyLessThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
509                                const Loop *L, bool isSigned, bool IsSubExpr);
510     ExitLimit HowManyGreaterThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
511                                   const Loop *L, bool isSigned, bool IsSubExpr);
512
513     /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
514     /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
515     /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
516     /// found.
517     std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *>
518     getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB);
519
520     /// isImpliedCond - Test whether the condition described by Pred, LHS, and
521     /// RHS is true whenever the given FoundCondValue value evaluates to true.
522     bool isImpliedCond(ICmpInst::Predicate Pred,
523                        const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
524                        Value *FoundCondValue,
525                        bool Inverse);
526
527     /// isImpliedCondOperands - Test whether the condition described by Pred,
528     /// LHS, and RHS is true whenever the condition described by Pred, FoundLHS,
529     /// and FoundRHS is true.
530     bool isImpliedCondOperands(ICmpInst::Predicate Pred,
531                                const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
532                                const SCEV *FoundLHS, const SCEV *FoundRHS);
533
534     /// isImpliedCondOperandsHelper - Test whether the condition described by
535     /// Pred, LHS, and RHS is true whenever the condition described by Pred,
536     /// FoundLHS, and FoundRHS is true.
537     bool isImpliedCondOperandsHelper(ICmpInst::Predicate Pred,
538                                      const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
539                                      const SCEV *FoundLHS,
540                                      const SCEV *FoundRHS);
541
542     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
543     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
544     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
545     /// involving constants, fold it.
546     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& BEs,
547                                                 const Loop *L);
548
549     /// isKnownPredicateWithRanges - Test if the given expression is known to
550     /// satisfy the condition described by Pred and the known constant ranges
551     /// of LHS and RHS.
552     ///
553     bool isKnownPredicateWithRanges(ICmpInst::Predicate Pred,
554                                     const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
555
556     /// forgetMemoizedResults - Drop memoized information computed for S.
557     void forgetMemoizedResults(const SCEV *S);
558
559     /// Return false iff given SCEV contains a SCEVUnknown with NULL value-
560     /// pointer.
561     bool checkValidity(const SCEV *S) const;
562
563     // Return true if `ExtendOpTy`({`Start`,+,`Step`}) can be proved to be equal
564     // to {`ExtendOpTy`(`Start`),+,`ExtendOpTy`(`Step`)}.  This is equivalent to
565     // proving no signed (resp. unsigned) wrap in {`Start`,+,`Step`} if
566     // `ExtendOpTy` is `SCEVSignExtendExpr` (resp. `SCEVZeroExtendExpr`).
567     //
568     template<typename ExtendOpTy>
569     bool proveNoWrapByVaryingStart(const SCEV *Start, const SCEV *Step,
570                                    const Loop *L);
571
572   public:
573     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
574     ScalarEvolution();
575
576     LLVMContext &getContext() const { return F->getContext(); }
577
578     /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
579     /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
580     /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
581     /// has access to target-specific information.
582     bool isSCEVable(Type *Ty) const;
583
584     /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
585     /// for which isSCEVable must return true.
586     uint64_t getTypeSizeInBits(Type *Ty) const;
587
588     /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
589     /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
590     /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
591     /// this is the pointer-sized integer type.
592     Type *getEffectiveSCEVType(Type *Ty) const;
593
594     /// getSCEV - Return a SCEV expression for the full generality of the
595     /// specified expression.
596     const SCEV *getSCEV(Value *V);
597
598     const SCEV *getConstant(ConstantInt *V);
599     const SCEV *getConstant(const APInt& Val);
600     const SCEV *getConstant(Type *Ty, uint64_t V, bool isSigned = false);
601     const SCEV *getTruncateExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
602     const SCEV *getZeroExtendExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
603     const SCEV *getSignExtendExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
604     const SCEV *getAnyExtendExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
605     const SCEV *getAddExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
606                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap);
607     const SCEV *getAddExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
608                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap) {
609       SmallVector<const SCEV *, 2> Ops;
610       Ops.push_back(LHS);
611       Ops.push_back(RHS);
612       return getAddExpr(Ops, Flags);
613     }
614     const SCEV *getAddExpr(const SCEV *Op0, const SCEV *Op1, const SCEV *Op2,
615                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap) {
616       SmallVector<const SCEV *, 3> Ops;
617       Ops.push_back(Op0);
618       Ops.push_back(Op1);
619       Ops.push_back(Op2);
620       return getAddExpr(Ops, Flags);
621     }
622     const SCEV *getMulExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
623                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap);
624     const SCEV *getMulExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
625                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap)
626     {
627       SmallVector<const SCEV *, 2> Ops;
628       Ops.push_back(LHS);
629       Ops.push_back(RHS);
630       return getMulExpr(Ops, Flags);
631     }
632     const SCEV *getMulExpr(const SCEV *Op0, const SCEV *Op1, const SCEV *Op2,
633                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap) {
634       SmallVector<const SCEV *, 3> Ops;
635       Ops.push_back(Op0);
636       Ops.push_back(Op1);
637       Ops.push_back(Op2);
638       return getMulExpr(Ops, Flags);
639     }
640     const SCEV *getUDivExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
641     const SCEV *getUDivExactExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
642     const SCEV *getAddRecExpr(const SCEV *Start, const SCEV *Step,
643                               const Loop *L, SCEV::NoWrapFlags Flags);
644     const SCEV *getAddRecExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands,
645                               const Loop *L, SCEV::NoWrapFlags Flags);
646     const SCEV *getAddRecExpr(const SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands,
647                               const Loop *L, SCEV::NoWrapFlags Flags) {
648       SmallVector<const SCEV *, 4> NewOp(Operands.begin(), Operands.end());
649       return getAddRecExpr(NewOp, L, Flags);
650     }
651     const SCEV *getSMaxExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
652     const SCEV *getSMaxExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands);
653     const SCEV *getUMaxExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
654     const SCEV *getUMaxExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands);
655     const SCEV *getSMinExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
656     const SCEV *getUMinExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
657     const SCEV *getUnknown(Value *V);
658     const SCEV *getCouldNotCompute();
659
660     /// getSizeOfExpr - Return an expression for sizeof AllocTy that is type
661     /// IntTy
662     ///
663     const SCEV *getSizeOfExpr(Type *IntTy, Type *AllocTy);
664
665     /// getOffsetOfExpr - Return an expression for offsetof on the given field
666     /// with type IntTy
667     ///
668     const SCEV *getOffsetOfExpr(Type *IntTy, StructType *STy, unsigned FieldNo);
669
670     /// getNegativeSCEV - Return the SCEV object corresponding to -V.
671     ///
672     const SCEV *getNegativeSCEV(const SCEV *V);
673
674     /// getNotSCEV - Return the SCEV object corresponding to ~V.
675     ///
676     const SCEV *getNotSCEV(const SCEV *V);
677
678     /// getMinusSCEV - Return LHS-RHS.  Minus is represented in SCEV as A+B*-1.
679     const SCEV *getMinusSCEV(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
680                              SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap);
681
682     /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
683     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
684     /// extended, it is zero extended.
685     const SCEV *getTruncateOrZeroExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
686
687     /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
688     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
689     /// extended, it is sign extended.
690     const SCEV *getTruncateOrSignExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
691
692     /// getNoopOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
693     /// the input value to the specified type.  If the type must be extended,
694     /// it is zero extended.  The conversion must not be narrowing.
695     const SCEV *getNoopOrZeroExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
696
697     /// getNoopOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
698     /// the input value to the specified type.  If the type must be extended,
699     /// it is sign extended.  The conversion must not be narrowing.
700     const SCEV *getNoopOrSignExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
701
702     /// getNoopOrAnyExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
703     /// the input value to the specified type. If the type must be extended,
704     /// it is extended with unspecified bits. The conversion must not be
705     /// narrowing.
706     const SCEV *getNoopOrAnyExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
707
708     /// getTruncateOrNoop - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
709     /// input value to the specified type.  The conversion must not be
710     /// widening.
711     const SCEV *getTruncateOrNoop(const SCEV *V, Type *Ty);
712
713     /// getUMaxFromMismatchedTypes - Promote the operands to the wider of
714     /// the types using zero-extension, and then perform a umax operation
715     /// with them.
716     const SCEV *getUMaxFromMismatchedTypes(const SCEV *LHS,
717                                            const SCEV *RHS);
718
719     /// getUMinFromMismatchedTypes - Promote the operands to the wider of
720     /// the types using zero-extension, and then perform a umin operation
721     /// with them.
722     const SCEV *getUMinFromMismatchedTypes(const SCEV *LHS,
723                                            const SCEV *RHS);
724
725     /// getPointerBase - Transitively follow the chain of pointer-type operands
726     /// until reaching a SCEV that does not have a single pointer operand. This
727     /// returns a SCEVUnknown pointer for well-formed pointer-type expressions,
728     /// but corner cases do exist.
729     const SCEV *getPointerBase(const SCEV *V);
730
731     /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression for the specified value
732     /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
733     /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
734     /// specified loop is immediately inside of the loop.
735     ///
736     /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
737     /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
738     ///
739     /// In the case that a relevant loop exit value cannot be computed, the
740     /// original value V is returned.
741     const SCEV *getSCEVAtScope(const SCEV *S, const Loop *L);
742
743     /// getSCEVAtScope - This is a convenience function which does
744     /// getSCEVAtScope(getSCEV(V), L).
745     const SCEV *getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L);
746
747     /// isLoopEntryGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected
748     /// by a conditional between LHS and RHS.  This is used to help avoid max
749     /// expressions in loop trip counts, and to eliminate casts.
750     bool isLoopEntryGuardedByCond(const Loop *L, ICmpInst::Predicate Pred,
751                                   const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
752
753     /// isLoopBackedgeGuardedByCond - Test whether the backedge of the loop is
754     /// protected by a conditional between LHS and RHS.  This is used to
755     /// to eliminate casts.
756     bool isLoopBackedgeGuardedByCond(const Loop *L, ICmpInst::Predicate Pred,
757                                      const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
758
759     /// \brief Returns the maximum trip count of the loop if it is a single-exit
760     /// loop and we can compute a small maximum for that loop.
761     ///
762     /// Implemented in terms of the \c getSmallConstantTripCount overload with
763     /// the single exiting block passed to it. See that routine for details.
764     unsigned getSmallConstantTripCount(Loop *L);
765
766     /// getSmallConstantTripCount - Returns the maximum trip count of this loop
767     /// as a normal unsigned value. Returns 0 if the trip count is unknown or
768     /// not constant. This "trip count" assumes that control exits via
769     /// ExitingBlock. More precisely, it is the number of times that control may
770     /// reach ExitingBlock before taking the branch. For loops with multiple
771     /// exits, it may not be the number times that the loop header executes if
772     /// the loop exits prematurely via another branch.
773     unsigned getSmallConstantTripCount(Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
774
775     /// \brief Returns the largest constant divisor of the trip count of the
776     /// loop if it is a single-exit loop and we can compute a small maximum for
777     /// that loop.
778     ///
779     /// Implemented in terms of the \c getSmallConstantTripMultiple overload with
780     /// the single exiting block passed to it. See that routine for details.
781     unsigned getSmallConstantTripMultiple(Loop *L);
782
783     /// getSmallConstantTripMultiple - Returns the largest constant divisor of
784     /// the trip count of this loop as a normal unsigned value, if
785     /// possible. This means that the actual trip count is always a multiple of
786     /// the returned value (don't forget the trip count could very well be zero
787     /// as well!). As explained in the comments for getSmallConstantTripCount,
788     /// this assumes that control exits the loop via ExitingBlock.
789     unsigned getSmallConstantTripMultiple(Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
790
791     // getExitCount - Get the expression for the number of loop iterations for
792     // which this loop is guaranteed not to exit via ExitingBlock. Otherwise
793     // return SCEVCouldNotCompute.
794     const SCEV *getExitCount(Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
795
796     /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
797     /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
798     /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
799     /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
800     /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
801     /// when the header is branched to from outside the loop.
802     ///
803     /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
804     /// loop-invariant backedge-taken count (see
805     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
806     ///
807     const SCEV *getBackedgeTakenCount(const Loop *L);
808
809     /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
810     /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
811     /// actual backedge taken count.
812     const SCEV *getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L);
813
814     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount - Return true if the specified loop
815     /// has an analyzable loop-invariant backedge-taken count.
816     bool hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L);
817
818     /// forgetLoop - This method should be called by the client when it has
819     /// changed a loop in a way that may effect ScalarEvolution's ability to
820     /// compute a trip count, or if the loop is deleted.  This call is
821     /// potentially expensive for large loop bodies.
822     void forgetLoop(const Loop *L);
823
824     /// forgetValue - This method should be called by the client when it has
825     /// changed a value in a way that may effect its value, or which may
826     /// disconnect it from a def-use chain linking it to a loop.
827     void forgetValue(Value *V);
828
829     /// \brief Called when the client has changed the disposition of values in
830     /// this loop.
831     ///
832     /// We don't have a way to invalidate per-loop dispositions. Clear and
833     /// recompute is simpler.
834     void forgetLoopDispositions(const Loop *L) { LoopDispositions.clear(); }
835
836     /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S
837     /// is guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same
838     /// time, the minimum number of times S is divisible by 2.  For example,
839     /// given {4,+,8} it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the
840     /// bitwidth of S.
841     uint32_t GetMinTrailingZeros(const SCEV *S);
842
843     /// getUnsignedRange - Determine the unsigned range for a particular SCEV.
844     ///
845     ConstantRange getUnsignedRange(const SCEV *S) {
846       return getRange(S, HINT_RANGE_UNSIGNED);
847     }
848
849     /// getSignedRange - Determine the signed range for a particular SCEV.
850     ///
851     ConstantRange getSignedRange(const SCEV *S) {
852       return getRange(S, HINT_RANGE_SIGNED);
853     }
854
855     /// isKnownNegative - Test if the given expression is known to be negative.
856     ///
857     bool isKnownNegative(const SCEV *S);
858
859     /// isKnownPositive - Test if the given expression is known to be positive.
860     ///
861     bool isKnownPositive(const SCEV *S);
862
863     /// isKnownNonNegative - Test if the given expression is known to be
864     /// non-negative.
865     ///
866     bool isKnownNonNegative(const SCEV *S);
867
868     /// isKnownNonPositive - Test if the given expression is known to be
869     /// non-positive.
870     ///
871     bool isKnownNonPositive(const SCEV *S);
872
873     /// isKnownNonZero - Test if the given expression is known to be
874     /// non-zero.
875     ///
876     bool isKnownNonZero(const SCEV *S);
877
878     /// isKnownPredicate - Test if the given expression is known to satisfy
879     /// the condition described by Pred, LHS, and RHS.
880     ///
881     bool isKnownPredicate(ICmpInst::Predicate Pred,
882                           const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
883
884     /// SimplifyICmpOperands - Simplify LHS and RHS in a comparison with
885     /// predicate Pred. Return true iff any changes were made. If the
886     /// operands are provably equal or unequal, LHS and RHS are set to
887     /// the same value and Pred is set to either ICMP_EQ or ICMP_NE.
888     ///
889     bool SimplifyICmpOperands(ICmpInst::Predicate &Pred,
890                               const SCEV *&LHS,
891                               const SCEV *&RHS,
892                               unsigned Depth = 0);
893
894     /// getLoopDisposition - Return the "disposition" of the given SCEV with
895     /// respect to the given loop.
896     LoopDisposition getLoopDisposition(const SCEV *S, const Loop *L);
897
898     /// isLoopInvariant - Return true if the value of the given SCEV is
899     /// unchanging in the specified loop.
900     bool isLoopInvariant(const SCEV *S, const Loop *L);
901
902     /// hasComputableLoopEvolution - Return true if the given SCEV changes value
903     /// in a known way in the specified loop.  This property being true implies
904     /// that the value is variant in the loop AND that we can emit an expression
905     /// to compute the value of the expression at any particular loop iteration.
906     bool hasComputableLoopEvolution(const SCEV *S, const Loop *L);
907
908     /// getLoopDisposition - Return the "disposition" of the given SCEV with
909     /// respect to the given block.
910     BlockDisposition getBlockDisposition(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
911
912     /// dominates - Return true if elements that makes up the given SCEV
913     /// dominate the specified basic block.
914     bool dominates(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
915
916     /// properlyDominates - Return true if elements that makes up the given SCEV
917     /// properly dominate the specified basic block.
918     bool properlyDominates(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
919
920     /// hasOperand - Test whether the given SCEV has Op as a direct or
921     /// indirect operand.
922     bool hasOperand(const SCEV *S, const SCEV *Op) const;
923
924     /// Return the size of an element read or written by Inst.
925     const SCEV *getElementSize(Instruction *Inst);
926
927     /// Compute the array dimensions Sizes from the set of Terms extracted from
928     /// the memory access function of this SCEVAddRecExpr.
929     void findArrayDimensions(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Terms,
930                              SmallVectorImpl<const SCEV *> &Sizes,
931                              const SCEV *ElementSize) const;
932
933     bool runOnFunction(Function &F) override;
934     void releaseMemory() override;
935     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
936     void print(raw_ostream &OS, const Module* = nullptr) const override;
937     void verifyAnalysis() const override;
938
939   private:
940     /// Compute the backedge taken count knowing the interval difference, the
941     /// stride and presence of the equality in the comparison.
942     const SCEV *computeBECount(const SCEV *Delta, const SCEV *Stride,
943                                bool Equality);
944
945     /// Verify if an linear IV with positive stride can overflow when in a
946     /// less-than comparison, knowing the invariant term of the comparison,
947     /// the stride and the knowledge of NSW/NUW flags on the recurrence.
948     bool doesIVOverflowOnLT(const SCEV *RHS, const SCEV *Stride,
949                             bool IsSigned, bool NoWrap);
950
951     /// Verify if an linear IV with negative stride can overflow when in a
952     /// greater-than comparison, knowing the invariant term of the comparison,
953     /// the stride and the knowledge of NSW/NUW flags on the recurrence.
954     bool doesIVOverflowOnGT(const SCEV *RHS, const SCEV *Stride,
955                             bool IsSigned, bool NoWrap);
956
957   private:
958     FoldingSet<SCEV> UniqueSCEVs;
959     BumpPtrAllocator SCEVAllocator;
960
961     /// FirstUnknown - The head of a linked list of all SCEVUnknown
962     /// values that have been allocated. This is used by releaseMemory
963     /// to locate them all and call their destructors.
964     SCEVUnknown *FirstUnknown;
965   };
966 }
967
968 #endif