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[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- 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 // This file contains the implementation of the scalar evolution analysis
11 // engine, which is used primarily to analyze expressions involving induction
12 // variables in loops.
13 //
14 // There are several aspects to this library.  First is the representation of
15 // scalar expressions, which are represented as subclasses of the SCEV class.
16 // These classes are used to represent certain types of subexpressions that we
17 // can handle.  These classes are reference counted, managed by the SCEVHandle
18 // class.  We only create one SCEV of a particular shape, so pointer-comparisons
19 // for equality are legal.
20 //
21 // One important aspect of the SCEV objects is that they are never cyclic, even
22 // if there is a cycle in the dataflow for an expression (ie, a PHI node).  If
23 // the PHI node is one of the idioms that we can represent (e.g., a polynomial
24 // recurrence) then we represent it directly as a recurrence node, otherwise we
25 // represent it as a SCEVUnknown node.
26 //
27 // In addition to being able to represent expressions of various types, we also
28 // have folders that are used to build the *canonical* representation for a
29 // particular expression.  These folders are capable of using a variety of
30 // rewrite rules to simplify the expressions.
31 //
32 // Once the folders are defined, we can implement the more interesting
33 // higher-level code, such as the code that recognizes PHI nodes of various
34 // types, computes the execution count of a loop, etc.
35 //
36 // TODO: We should use these routines and value representations to implement
37 // dependence analysis!
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40 //
41 // There are several good references for the techniques used in this analysis.
42 //
43 //  Chains of recurrences -- a method to expedite the evaluation
44 //  of closed-form functions
45 //  Olaf Bachmann, Paul S. Wang, Eugene V. Zima
46 //
47 //  On computational properties of chains of recurrences
48 //  Eugene V. Zima
49 //
50 //  Symbolic Evaluation of Chains of Recurrences for Loop Optimization
51 //  Robert A. van Engelen
52 //
53 //  Efficient Symbolic Analysis for Optimizing Compilers
54 //  Robert A. van Engelen
55 //
56 //  Using the chains of recurrences algebra for data dependence testing and
57 //  induction variable substitution
58 //  MS Thesis, Johnie Birch
59 //
60 //===----------------------------------------------------------------------===//
61
62 #define DEBUG_TYPE "scalar-evolution"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Constants.h"
65 #include "llvm/DerivedTypes.h"
66 #include "llvm/GlobalVariable.h"
67 #include "llvm/Instructions.h"
68 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
69 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
70 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
71 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
72 #include "llvm/Target/TargetData.h"
73 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
74 #include "llvm/Support/CFG.h"
75 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
76 #include "llvm/Support/Compiler.h"
77 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
78 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
79 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
80 #include "llvm/Support/ManagedStatic.h"
81 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
82 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
83 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
84 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
85 #include <ostream>
86 #include <algorithm>
87 #include <cmath>
88 using namespace llvm;
89
90 STATISTIC(NumArrayLenItCounts,
91           "Number of trip counts computed with array length");
92 STATISTIC(NumTripCountsComputed,
93           "Number of loops with predictable loop counts");
94 STATISTIC(NumTripCountsNotComputed,
95           "Number of loops without predictable loop counts");
96 STATISTIC(NumBruteForceTripCountsComputed,
97           "Number of loops with trip counts computed by force");
98
99 static cl::opt<unsigned>
100 MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
101                         cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will "
102                                  "symbolically execute a constant derived loop"),
103                         cl::init(100));
104
105 static RegisterPass<ScalarEvolution>
106 R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis", false, true);
107 char ScalarEvolution::ID = 0;
108
109 //===----------------------------------------------------------------------===//
110 //                           SCEV class definitions
111 //===----------------------------------------------------------------------===//
112
113 //===----------------------------------------------------------------------===//
114 // Implementation of the SCEV class.
115 //
116 SCEV::~SCEV() {}
117 void SCEV::dump() const {
118   print(errs());
119   errs() << '\n';
120 }
121
122 void SCEV::print(std::ostream &o) const {
123   raw_os_ostream OS(o);
124   print(OS);
125 }
126
127 bool SCEV::isZero() const {
128   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
129     return SC->getValue()->isZero();
130   return false;
131 }
132
133
134 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
135 SCEVCouldNotCompute::~SCEVCouldNotCompute() {}
136
137 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
138   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
139   return false;
140 }
141
142 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
143   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
144   return 0;
145 }
146
147 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
148   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
149   return false;
150 }
151
152 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
153 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
154                                   const SCEVHandle &Conc,
155                                   ScalarEvolution &SE) const {
156   return this;
157 }
158
159 void SCEVCouldNotCompute::print(raw_ostream &OS) const {
160   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
161 }
162
163 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
164   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
165 }
166
167
168 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
169 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
170 // never be deleted!
171 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
172
173
174 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
175   SCEVConstants->erase(V);
176 }
177
178 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(ConstantInt *V) {
179   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
180   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
181   return R;
182 }
183
184 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(const APInt& Val) {
185   return getConstant(ConstantInt::get(Val));
186 }
187
188 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
189
190 void SCEVConstant::print(raw_ostream &OS) const {
191   WriteAsOperand(OS, V, false);
192 }
193
194 SCEVCastExpr::SCEVCastExpr(unsigned SCEVTy,
195                            const SCEVHandle &op, const Type *ty)
196   : SCEV(SCEVTy), Op(op), Ty(ty) {}
197
198 SCEVCastExpr::~SCEVCastExpr() {}
199
200 bool SCEVCastExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
201   return Op->dominates(BB, DT);
202 }
203
204 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
205 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
206 // never be deleted!
207 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const SCEV*, const Type*>, 
208                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
209
210 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
211   : SCEVCastExpr(scTruncate, op, ty) {
212   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
213          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
214          "Cannot truncate non-integer value!");
215 }
216
217 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
218   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
219 }
220
221 void SCEVTruncateExpr::print(raw_ostream &OS) const {
222   OS << "(trunc " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
223 }
224
225 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
226 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
227 // be deleted!
228 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const SCEV*, const Type*>,
229                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
230
231 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
232   : SCEVCastExpr(scZeroExtend, op, ty) {
233   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
234          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
235          "Cannot zero extend non-integer value!");
236 }
237
238 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
239   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
240 }
241
242 void SCEVZeroExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
243   OS << "(zext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
244 }
245
246 // SCEVSignExtends - Only allow the creation of one SCEVSignExtendExpr for any
247 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
248 // be deleted!
249 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const SCEV*, const Type*>,
250                      SCEVSignExtendExpr*> > SCEVSignExtends;
251
252 SCEVSignExtendExpr::SCEVSignExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
253   : SCEVCastExpr(scSignExtend, op, ty) {
254   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
255          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
256          "Cannot sign extend non-integer value!");
257 }
258
259 SCEVSignExtendExpr::~SCEVSignExtendExpr() {
260   SCEVSignExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
261 }
262
263 void SCEVSignExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
264   OS << "(sext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
265 }
266
267 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
268 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
269 // be deleted!
270 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<const SCEV*> >,
271                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
272
273 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
274   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Operands.begin(), Operands.end());
275   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(), SCEVOps));
276 }
277
278 void SCEVCommutativeExpr::print(raw_ostream &OS) const {
279   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
280   const char *OpStr = getOperationStr();
281   OS << "(" << *Operands[0];
282   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
283     OS << OpStr << *Operands[i];
284   OS << ")";
285 }
286
287 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
288 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
289                                   const SCEVHandle &Conc,
290                                   ScalarEvolution &SE) const {
291   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
292     SCEVHandle H =
293       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
294     if (H != getOperand(i)) {
295       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
296       NewOps.reserve(getNumOperands());
297       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
298         NewOps.push_back(getOperand(j));
299       NewOps.push_back(H);
300       for (++i; i != e; ++i)
301         NewOps.push_back(getOperand(i)->
302                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
303
304       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
305         return SE.getAddExpr(NewOps);
306       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
307         return SE.getMulExpr(NewOps);
308       else if (isa<SCEVSMaxExpr>(this))
309         return SE.getSMaxExpr(NewOps);
310       else if (isa<SCEVUMaxExpr>(this))
311         return SE.getUMaxExpr(NewOps);
312       else
313         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
314     }
315   }
316   return this;
317 }
318
319 bool SCEVCommutativeExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
320   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
321     if (!getOperand(i)->dominates(BB, DT))
322       return false;
323   }
324   return true;
325 }
326
327
328 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
329 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
330 // deleted!
331 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const SCEV*, const SCEV*>,
332                      SCEVUDivExpr*> > SCEVUDivs;
333
334 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
335   SCEVUDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
336 }
337
338 bool SCEVUDivExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
339   return LHS->dominates(BB, DT) && RHS->dominates(BB, DT);
340 }
341
342 void SCEVUDivExpr::print(raw_ostream &OS) const {
343   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
344 }
345
346 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
347   return LHS->getType();
348 }
349
350 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
351 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
352 // be deleted!
353 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *,
354                                         std::vector<const SCEV*> >,
355                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
356
357 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
358   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Operands.begin(), Operands.end());
359   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L, SCEVOps));
360 }
361
362 bool SCEVAddRecExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
363   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
364     if (!getOperand(i)->dominates(BB, DT))
365       return false;
366   }
367   return true;
368 }
369
370
371 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
372 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
373                                   const SCEVHandle &Conc,
374                                   ScalarEvolution &SE) const {
375   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
376     SCEVHandle H =
377       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
378     if (H != getOperand(i)) {
379       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
380       NewOps.reserve(getNumOperands());
381       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
382         NewOps.push_back(getOperand(j));
383       NewOps.push_back(H);
384       for (++i; i != e; ++i)
385         NewOps.push_back(getOperand(i)->
386                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
387
388       return SE.getAddRecExpr(NewOps, L);
389     }
390   }
391   return this;
392 }
393
394
395 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
396   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
397   // contain L and if the start is invariant.
398   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
399          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
400 }
401
402
403 void SCEVAddRecExpr::print(raw_ostream &OS) const {
404   OS << "{" << *Operands[0];
405   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
406     OS << ",+," << *Operands[i];
407   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
408 }
409
410 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
411 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
412 // deleted!
413 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
414
415 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
416
417 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
418   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
419   // invariant if they are not contained in the specified loop.
420   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
421     return !L->contains(I->getParent());
422   return true;
423 }
424
425 bool SCEVUnknown::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
426   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(getValue()))
427     return DT->dominates(I->getParent(), BB);
428   return true;
429 }
430
431 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
432   return V->getType();
433 }
434
435 void SCEVUnknown::print(raw_ostream &OS) const {
436   WriteAsOperand(OS, V, false);
437 }
438
439 //===----------------------------------------------------------------------===//
440 //                               SCEV Utilities
441 //===----------------------------------------------------------------------===//
442
443 namespace {
444   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
445   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
446   /// expressions.
447   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
448     bool operator()(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) const {
449       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
450     }
451   };
452 }
453
454 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
455 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
456 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
457 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
458 ///
459 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
460 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
461 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
462 /// land in memory.
463 ///
464 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
465   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
466   if (Ops.size() == 2) {
467     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
468     // Special case it.
469     if (SCEVComplexityCompare()(Ops[1], Ops[0]))
470       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
471     return;
472   }
473
474   // Do the rough sort by complexity.
475   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
476
477   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
478   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
479   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
480   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
481   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
482     const SCEV *S = Ops[i];
483     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
484
485     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
486     // one, group them.
487     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
488       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
489         // Move it to immediately after i'th element.
490         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
491         ++i;   // no need to rescan it.
492         if (i == e-2) return;  // Done!
493       }
494     }
495   }
496 }
497
498
499
500 //===----------------------------------------------------------------------===//
501 //                      Simple SCEV method implementations
502 //===----------------------------------------------------------------------===//
503
504 /// BinomialCoefficient - Compute BC(It, K).  The result has width W.
505 // Assume, K > 0.
506 static SCEVHandle BinomialCoefficient(SCEVHandle It, unsigned K,
507                                       ScalarEvolution &SE,
508                                       const Type* ResultTy) {
509   // Handle the simplest case efficiently.
510   if (K == 1)
511     return SE.getTruncateOrZeroExtend(It, ResultTy);
512
513   // We are using the following formula for BC(It, K):
514   //
515   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / K!
516   //
517   // Suppose, W is the bitwidth of the return value.  We must be prepared for
518   // overflow.  Hence, we must assure that the result of our computation is
519   // equal to the accurate one modulo 2^W.  Unfortunately, division isn't
520   // safe in modular arithmetic.
521   //
522   // However, this code doesn't use exactly that formula; the formula it uses
523   // is something like the following, where T is the number of factors of 2 in 
524   // K! (i.e. trailing zeros in the binary representation of K!), and ^ is
525   // exponentiation:
526   //
527   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / 2^T / (K! / 2^T)
528   //
529   // This formula is trivially equivalent to the previous formula.  However,
530   // this formula can be implemented much more efficiently.  The trick is that
531   // K! / 2^T is odd, and exact division by an odd number *is* safe in modular
532   // arithmetic.  To do exact division in modular arithmetic, all we have
533   // to do is multiply by the inverse.  Therefore, this step can be done at
534   // width W.
535   // 
536   // The next issue is how to safely do the division by 2^T.  The way this
537   // is done is by doing the multiplication step at a width of at least W + T
538   // bits.  This way, the bottom W+T bits of the product are accurate. Then,
539   // when we perform the division by 2^T (which is equivalent to a right shift
540   // by T), the bottom W bits are accurate.  Extra bits are okay; they'll get
541   // truncated out after the division by 2^T.
542   //
543   // In comparison to just directly using the first formula, this technique
544   // is much more efficient; using the first formula requires W * K bits,
545   // but this formula less than W + K bits. Also, the first formula requires
546   // a division step, whereas this formula only requires multiplies and shifts.
547   //
548   // It doesn't matter whether the subtraction step is done in the calculation
549   // width or the input iteration count's width; if the subtraction overflows,
550   // the result must be zero anyway.  We prefer here to do it in the width of
551   // the induction variable because it helps a lot for certain cases; CodeGen
552   // isn't smart enough to ignore the overflow, which leads to much less
553   // efficient code if the width of the subtraction is wider than the native
554   // register width.
555   //
556   // (It's possible to not widen at all by pulling out factors of 2 before
557   // the multiplication; for example, K=2 can be calculated as
558   // It/2*(It+(It*INT_MIN/INT_MIN)+-1). However, it requires
559   // extra arithmetic, so it's not an obvious win, and it gets
560   // much more complicated for K > 3.)
561
562   // Protection from insane SCEVs; this bound is conservative,
563   // but it probably doesn't matter.
564   if (K > 1000)
565     return SE.getCouldNotCompute();
566
567   unsigned W = SE.getTypeSizeInBits(ResultTy);
568
569   // Calculate K! / 2^T and T; we divide out the factors of two before
570   // multiplying for calculating K! / 2^T to avoid overflow.
571   // Other overflow doesn't matter because we only care about the bottom
572   // W bits of the result.
573   APInt OddFactorial(W, 1);
574   unsigned T = 1;
575   for (unsigned i = 3; i <= K; ++i) {
576     APInt Mult(W, i);
577     unsigned TwoFactors = Mult.countTrailingZeros();
578     T += TwoFactors;
579     Mult = Mult.lshr(TwoFactors);
580     OddFactorial *= Mult;
581   }
582
583   // We need at least W + T bits for the multiplication step
584   unsigned CalculationBits = W + T;
585
586   // Calcuate 2^T, at width T+W.
587   APInt DivFactor = APInt(CalculationBits, 1).shl(T);
588
589   // Calculate the multiplicative inverse of K! / 2^T;
590   // this multiplication factor will perform the exact division by
591   // K! / 2^T.
592   APInt Mod = APInt::getSignedMinValue(W+1);
593   APInt MultiplyFactor = OddFactorial.zext(W+1);
594   MultiplyFactor = MultiplyFactor.multiplicativeInverse(Mod);
595   MultiplyFactor = MultiplyFactor.trunc(W);
596
597   // Calculate the product, at width T+W
598   const IntegerType *CalculationTy = IntegerType::get(CalculationBits);
599   SCEVHandle Dividend = SE.getTruncateOrZeroExtend(It, CalculationTy);
600   for (unsigned i = 1; i != K; ++i) {
601     SCEVHandle S = SE.getMinusSCEV(It, SE.getIntegerSCEV(i, It->getType()));
602     Dividend = SE.getMulExpr(Dividend,
603                              SE.getTruncateOrZeroExtend(S, CalculationTy));
604   }
605
606   // Divide by 2^T
607   SCEVHandle DivResult = SE.getUDivExpr(Dividend, SE.getConstant(DivFactor));
608
609   // Truncate the result, and divide by K! / 2^T.
610
611   return SE.getMulExpr(SE.getConstant(MultiplyFactor),
612                        SE.getTruncateOrZeroExtend(DivResult, ResultTy));
613 }
614
615 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
616 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
617 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
618 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
619 ///
620 ///   A*BC(It, 0) + B*BC(It, 1) + C*BC(It, 2) + D*BC(It, 3)
621 ///
622 /// where BC(It, k) stands for binomial coefficient.
623 ///
624 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It,
625                                                ScalarEvolution &SE) const {
626   SCEVHandle Result = getStart();
627   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
628     // The computation is correct in the face of overflow provided that the
629     // multiplication is performed _after_ the evaluation of the binomial
630     // coefficient.
631     SCEVHandle Coeff = BinomialCoefficient(It, i, SE, getType());
632     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Coeff))
633       return Coeff;
634
635     Result = SE.getAddExpr(Result, SE.getMulExpr(getOperand(i), Coeff));
636   }
637   return Result;
638 }
639
640 //===----------------------------------------------------------------------===//
641 //                    SCEV Expression folder implementations
642 //===----------------------------------------------------------------------===//
643
644 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op,
645                                             const Type *Ty) {
646   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) > getTypeSizeInBits(Ty) &&
647          "This is not a truncating conversion!");
648   assert(isSCEVable(Ty) &&
649          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
650   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
651
652   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
653     return getUnknown(
654         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
655
656   // trunc(trunc(x)) --> trunc(x)
657   if (const SCEVTruncateExpr *ST = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(Op))
658     return getTruncateExpr(ST->getOperand(), Ty);
659
660   // trunc(sext(x)) --> sext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
661   if (const SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
662     return getTruncateOrSignExtend(SS->getOperand(), Ty);
663
664   // trunc(zext(x)) --> zext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
665   if (const SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
666     return getTruncateOrZeroExtend(SZ->getOperand(), Ty);
667
668   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
669   // all of the constants.
670   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
671     std::vector<SCEVHandle> Operands;
672     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
673       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
674       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
675         Operands.push_back(getTruncateExpr(AddRec->getOperand(i), Ty));
676       else
677         break;
678     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
679       return getAddRecExpr(Operands, AddRec->getLoop());
680   }
681
682   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
683   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
684   return Result;
685 }
686
687 SCEVHandle ScalarEvolution::getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op,
688                                               const Type *Ty) {
689   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
690          "This is not an extending conversion!");
691   assert(isSCEVable(Ty) &&
692          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
693   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
694
695   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
696     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
697     Constant *C = ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), IntTy);
698     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
699     return getUnknown(C);
700   }
701
702   // zext(zext(x)) --> zext(x)
703   if (const SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
704     return getZeroExtendExpr(SZ->getOperand(), Ty);
705
706   // If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
707   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
708   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
709   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
710   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
711     if (AR->isAffine()) {
712       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
713       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
714       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
715       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
716       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
717       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
718       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
719       // that value once it has finished.
720       SCEVHandle MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AR->getLoop());
721       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
722         // Manually compute the final value for AR, checking for
723         // overflow.
724         SCEVHandle Start = AR->getStart();
725         SCEVHandle Step = AR->getStepRecurrence(*this);
726
727         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
728         // the addrec's type. The count is always unsigned.
729         SCEVHandle CastedMaxBECount =
730           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
731         if (MaxBECount ==
732             getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType())) {
733           const Type *WideTy =
734             IntegerType::get(getTypeSizeInBits(Start->getType()) * 2);
735           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no unsigned overflow.
736           SCEVHandle ZMul =
737             getMulExpr(CastedMaxBECount,
738                        getTruncateOrZeroExtend(Step, Start->getType()));
739           SCEVHandle Add = getAddExpr(Start, ZMul);
740           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) ==
741               getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
742                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
743                                     getZeroExtendExpr(Step, WideTy))))
744             // Return the expression with the addrec on the outside.
745             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
746                                  getZeroExtendExpr(Step, Ty),
747                                  AR->getLoop());
748
749           // Similar to above, only this time treat the step value as signed.
750           // This covers loops that count down.
751           SCEVHandle SMul =
752             getMulExpr(CastedMaxBECount,
753                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
754           Add = getAddExpr(Start, SMul);
755           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) ==
756               getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
757                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
758                                     getSignExtendExpr(Step, WideTy))))
759             // Return the expression with the addrec on the outside.
760             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
761                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
762                                  AR->getLoop());
763         }
764       }
765     }
766
767   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
768   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
769   return Result;
770 }
771
772 SCEVHandle ScalarEvolution::getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op,
773                                               const Type *Ty) {
774   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
775          "This is not an extending conversion!");
776   assert(isSCEVable(Ty) &&
777          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
778   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
779
780   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
781     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
782     Constant *C = ConstantExpr::getSExt(SC->getValue(), IntTy);
783     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
784     return getUnknown(C);
785   }
786
787   // sext(sext(x)) --> sext(x)
788   if (const SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
789     return getSignExtendExpr(SS->getOperand(), Ty);
790
791   // If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
792   // did not overflow the old, smaller, value, we can sign extend all of the
793   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
794   // this:  for (signed char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
795   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
796     if (AR->isAffine()) {
797       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
798       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
799       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
800       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
801       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
802       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
803       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
804       // that value once it has finished.
805       SCEVHandle MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AR->getLoop());
806       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
807         // Manually compute the final value for AR, checking for
808         // overflow.
809         SCEVHandle Start = AR->getStart();
810         SCEVHandle Step = AR->getStepRecurrence(*this);
811
812         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
813         // the addrec's type. The count is always unsigned.
814         SCEVHandle CastedMaxBECount =
815           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
816         if (MaxBECount ==
817             getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType())) {
818           const Type *WideTy =
819             IntegerType::get(getTypeSizeInBits(Start->getType()) * 2);
820           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no signed overflow.
821           SCEVHandle SMul =
822             getMulExpr(CastedMaxBECount,
823                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
824           SCEVHandle Add = getAddExpr(Start, SMul);
825           if (getSignExtendExpr(Add, WideTy) ==
826               getAddExpr(getSignExtendExpr(Start, WideTy),
827                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
828                                     getSignExtendExpr(Step, WideTy))))
829             // Return the expression with the addrec on the outside.
830             return getAddRecExpr(getSignExtendExpr(Start, Ty),
831                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
832                                  AR->getLoop());
833         }
834       }
835     }
836
837   SCEVSignExtendExpr *&Result = (*SCEVSignExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
838   if (Result == 0) Result = new SCEVSignExtendExpr(Op, Ty);
839   return Result;
840 }
841
842 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
843 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
844   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
845   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
846
847   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
848   GroupByComplexity(Ops);
849
850   // If there are any constants, fold them together.
851   unsigned Idx = 0;
852   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
853     ++Idx;
854     assert(Idx < Ops.size());
855     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
856       // We found two constants, fold them together!
857       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() + 
858                                            RHSC->getValue()->getValue());
859       Ops[0] = getConstant(Fold);
860       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
861       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
862       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
863     }
864
865     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
866     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
867       Ops.erase(Ops.begin());
868       --Idx;
869     }
870   }
871
872   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
873
874   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
875   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
876   // list, these values are required to be adjacent.
877   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
878   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
879     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
880       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
881       // remaining values to the result.
882       SCEVHandle Two = getIntegerSCEV(2, Ty);
883       SCEVHandle Mul = getMulExpr(Ops[i], Two);
884       if (Ops.size() == 2)
885         return Mul;
886       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
887       Ops.push_back(Mul);
888       return getAddExpr(Ops);
889     }
890
891   // Now we know the first non-constant operand.  Skip past any cast SCEVs.
892   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddExpr)
893     ++Idx;
894
895   // If there are add operands they would be next.
896   if (Idx < Ops.size()) {
897     bool DeletedAdd = false;
898     while (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
899       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
900       // list.
901       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
902       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
903       DeletedAdd = true;
904     }
905
906     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
907     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
908     // any operands we just aquired.
909     if (DeletedAdd)
910       return getAddExpr(Ops);
911   }
912
913   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
914   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
915     ++Idx;
916
917   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
918   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
919   // the multiply.
920   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
921     const SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
922     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
923       const SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
924       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
925         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
926           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
927           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
928           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
929             // If the multiply has more than two operands, we must get the
930             // Y*Z term.
931             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
932             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
933             InnerMul = getMulExpr(MulOps);
934           }
935           SCEVHandle One = getIntegerSCEV(1, Ty);
936           SCEVHandle AddOne = getAddExpr(InnerMul, One);
937           SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(AddOne, Ops[AddOp]);
938           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
939           if (AddOp < Idx) {
940             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
941             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
942           } else {
943             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
944             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
945           }
946           Ops.push_back(OuterMul);
947           return getAddExpr(Ops);
948         }
949
950       // Check this multiply against other multiplies being added together.
951       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
952            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
953            ++OtherMulIdx) {
954         const SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
955         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
956         // together.
957         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
958              OMulOp != e; ++OMulOp)
959           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
960             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
961             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
962             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
963               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
964               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
965               InnerMul1 = getMulExpr(MulOps);
966             }
967             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
968             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
969               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
970                                              OtherMul->op_end());
971               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
972               InnerMul2 = getMulExpr(MulOps);
973             }
974             SCEVHandle InnerMulSum = getAddExpr(InnerMul1,InnerMul2);
975             SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(MulOpSCEV, InnerMulSum);
976             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
977             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
978             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
979             Ops.push_back(OuterMul);
980             return getAddExpr(Ops);
981           }
982       }
983     }
984   }
985
986   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
987   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
988   // recurrence.
989   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
990     ++Idx;
991
992   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
993   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
994     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
995     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
996     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
997     const SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
998     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
999       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1000         LIOps.push_back(Ops[i]);
1001         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1002         --i; --e;
1003       }
1004
1005     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1006     if (!LIOps.empty()) {
1007       //  NLI + LI + {Start,+,Step}  -->  NLI + {LI+Start,+,Step}
1008       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
1009
1010       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
1011       AddRecOps[0] = getAddExpr(LIOps);
1012
1013       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(AddRecOps, AddRec->getLoop());
1014       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1015       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1016
1017       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
1018       for (unsigned i = 0;; ++i)
1019         if (Ops[i] == AddRec) {
1020           Ops[i] = NewRec;
1021           break;
1022         }
1023       return getAddExpr(Ops);
1024     }
1025
1026     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1027     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1028     // added together.  If so, we can fold them.
1029     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1030          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1031       if (OtherIdx != Idx) {
1032         const SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1033         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1034           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
1035           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
1036           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1037             if (i >= NewOps.size()) {
1038               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
1039                             OtherAddRec->op_end());
1040               break;
1041             }
1042             NewOps[i] = getAddExpr(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
1043           }
1044           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1045
1046           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1047
1048           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1049           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1050           Ops.push_back(NewAddRec);
1051           return getAddExpr(Ops);
1052         }
1053       }
1054
1055     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1056     // next one.
1057   }
1058
1059   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
1060   // already have one, otherwise create a new one.
1061   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1062   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
1063                                                                  SCEVOps)];
1064   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
1065   return Result;
1066 }
1067
1068
1069 SCEVHandle ScalarEvolution::getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
1070   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
1071
1072   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1073   GroupByComplexity(Ops);
1074
1075   // If there are any constants, fold them together.
1076   unsigned Idx = 0;
1077   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1078
1079     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
1080     if (Ops.size() == 2)
1081       if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
1082         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
1083             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
1084           return getAddExpr(getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(0)),
1085                             getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(1)));
1086
1087
1088     ++Idx;
1089     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1090       // We found two constants, fold them together!
1091       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() * 
1092                                            RHSC->getValue()->getValue());
1093       Ops[0] = getConstant(Fold);
1094       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1095       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1096       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1097     }
1098
1099     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
1100     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
1101       Ops.erase(Ops.begin());
1102       --Idx;
1103     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
1104       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
1105       return Ops[0];
1106     }
1107   }
1108
1109   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
1110   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
1111     ++Idx;
1112
1113   if (Ops.size() == 1)
1114     return Ops[0];
1115
1116   // If there are mul operands inline them all into this expression.
1117   if (Idx < Ops.size()) {
1118     bool DeletedMul = false;
1119     while (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
1120       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
1121       // list.
1122       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
1123       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1124       DeletedMul = true;
1125     }
1126
1127     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
1128     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
1129     // any operands we just aquired.
1130     if (DeletedMul)
1131       return getMulExpr(Ops);
1132   }
1133
1134   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
1135   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
1136   // recurrence.
1137   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
1138     ++Idx;
1139
1140   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
1141   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1142     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
1143     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
1144     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
1145     const SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
1146     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1147       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1148         LIOps.push_back(Ops[i]);
1149         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1150         --i; --e;
1151       }
1152
1153     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1154     if (!LIOps.empty()) {
1155       //  NLI * LI * {Start,+,Step}  -->  NLI * {LI*Start,+,LI*Step}
1156       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
1157       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
1158       if (LIOps.size() == 1) {
1159         const SCEV *Scale = LIOps[0];
1160         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
1161           NewOps.push_back(getMulExpr(Scale, AddRec->getOperand(i)));
1162       } else {
1163         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1164           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
1165           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
1166           NewOps.push_back(getMulExpr(MulOps));
1167         }
1168       }
1169
1170       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1171
1172       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1173       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1174
1175       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
1176       for (unsigned i = 0;; ++i)
1177         if (Ops[i] == AddRec) {
1178           Ops[i] = NewRec;
1179           break;
1180         }
1181       return getMulExpr(Ops);
1182     }
1183
1184     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1185     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1186     // multiplied together.  If so, we can fold them.
1187     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1188          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1189       if (OtherIdx != Idx) {
1190         const SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1191         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1192           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
1193           const SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
1194           SCEVHandle NewStart = getMulExpr(F->getStart(),
1195                                                  G->getStart());
1196           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence(*this);
1197           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence(*this);
1198           SCEVHandle NewStep = getAddExpr(getMulExpr(F, D),
1199                                           getMulExpr(G, B),
1200                                           getMulExpr(B, D));
1201           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewStart, NewStep,
1202                                                F->getLoop());
1203           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1204
1205           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1206           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1207           Ops.push_back(NewAddRec);
1208           return getMulExpr(Ops);
1209         }
1210       }
1211
1212     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1213     // next one.
1214   }
1215
1216   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
1217   // already have one, otherwise create a new one.
1218   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1219   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
1220                                                                  SCEVOps)];
1221   if (Result == 0)
1222     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
1223   return Result;
1224 }
1225
1226 SCEVHandle ScalarEvolution::getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS,
1227                                         const SCEVHandle &RHS) {
1228   if (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1229     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1230       return LHS;                            // X udiv 1 --> x
1231
1232     if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1233       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1234       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1235       return getUnknown(ConstantExpr::getUDiv(LHSCV, RHSCV));
1236     }
1237   }
1238
1239   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
1240
1241   SCEVUDivExpr *&Result = (*SCEVUDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
1242   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1243   return Result;
1244 }
1245
1246
1247 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1248 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1249 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start,
1250                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1251   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1252   Operands.push_back(Start);
1253   if (const SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1254     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1255       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1256                       StepChrec->op_end());
1257       return getAddRecExpr(Operands, L);
1258     }
1259
1260   Operands.push_back(Step);
1261   return getAddRecExpr(Operands, L);
1262 }
1263
1264 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1265 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1266 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1267                                           const Loop *L) {
1268   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1269
1270   if (Operands.back()->isZero()) {
1271     Operands.pop_back();
1272     return getAddRecExpr(Operands, L);             // {X,+,0}  -->  X
1273   }
1274
1275   // Canonicalize nested AddRecs in by nesting them in order of loop depth.
1276   if (const SCEVAddRecExpr *NestedAR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Operands[0])) {
1277     const Loop* NestedLoop = NestedAR->getLoop();
1278     if (L->getLoopDepth() < NestedLoop->getLoopDepth()) {
1279       std::vector<SCEVHandle> NestedOperands(NestedAR->op_begin(),
1280                                              NestedAR->op_end());
1281       SCEVHandle NestedARHandle(NestedAR);
1282       Operands[0] = NestedAR->getStart();
1283       NestedOperands[0] = getAddRecExpr(Operands, L);
1284       return getAddRecExpr(NestedOperands, NestedLoop);
1285     }
1286   }
1287
1288   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Operands.begin(), Operands.end());
1289   SCEVAddRecExpr *&Result = (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, SCEVOps)];
1290   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1291   return Result;
1292 }
1293
1294 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1295                                         const SCEVHandle &RHS) {
1296   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1297   Ops.push_back(LHS);
1298   Ops.push_back(RHS);
1299   return getSMaxExpr(Ops);
1300 }
1301
1302 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1303   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty smax!");
1304   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1305
1306   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1307   GroupByComplexity(Ops);
1308
1309   // If there are any constants, fold them together.
1310   unsigned Idx = 0;
1311   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1312     ++Idx;
1313     assert(Idx < Ops.size());
1314     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1315       // We found two constants, fold them together!
1316       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1317                               APIntOps::smax(LHSC->getValue()->getValue(),
1318                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1319       Ops[0] = getConstant(Fold);
1320       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1321       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1322       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1323     }
1324
1325     // If we are left with a constant -inf, strip it off.
1326     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(true)) {
1327       Ops.erase(Ops.begin());
1328       --Idx;
1329     }
1330   }
1331
1332   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1333
1334   // Find the first SMax
1335   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scSMaxExpr)
1336     ++Idx;
1337
1338   // Check to see if one of the operands is an SMax. If so, expand its operands
1339   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1340   if (Idx < Ops.size()) {
1341     bool DeletedSMax = false;
1342     while (const SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1343       Ops.insert(Ops.end(), SMax->op_begin(), SMax->op_end());
1344       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1345       DeletedSMax = true;
1346     }
1347
1348     if (DeletedSMax)
1349       return getSMaxExpr(Ops);
1350   }
1351
1352   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1353   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1354   // be adjacent.
1355   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1356     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X smax Y smax Y  -->  X smax Y
1357       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1358       --i; --e;
1359     }
1360
1361   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1362
1363   assert(!Ops.empty() && "Reduced smax down to nothing!");
1364
1365   // Okay, it looks like we really DO need an smax expr.  Check to see if we
1366   // already have one, otherwise create a new one.
1367   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1368   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scSMaxExpr,
1369                                                                  SCEVOps)];
1370   if (Result == 0) Result = new SCEVSMaxExpr(Ops);
1371   return Result;
1372 }
1373
1374 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1375                                         const SCEVHandle &RHS) {
1376   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1377   Ops.push_back(LHS);
1378   Ops.push_back(RHS);
1379   return getUMaxExpr(Ops);
1380 }
1381
1382 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1383   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty umax!");
1384   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1385
1386   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1387   GroupByComplexity(Ops);
1388
1389   // If there are any constants, fold them together.
1390   unsigned Idx = 0;
1391   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1392     ++Idx;
1393     assert(Idx < Ops.size());
1394     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1395       // We found two constants, fold them together!
1396       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1397                               APIntOps::umax(LHSC->getValue()->getValue(),
1398                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1399       Ops[0] = getConstant(Fold);
1400       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1401       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1402       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1403     }
1404
1405     // If we are left with a constant zero, strip it off.
1406     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(false)) {
1407       Ops.erase(Ops.begin());
1408       --Idx;
1409     }
1410   }
1411
1412   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1413
1414   // Find the first UMax
1415   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scUMaxExpr)
1416     ++Idx;
1417
1418   // Check to see if one of the operands is a UMax. If so, expand its operands
1419   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1420   if (Idx < Ops.size()) {
1421     bool DeletedUMax = false;
1422     while (const SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1423       Ops.insert(Ops.end(), UMax->op_begin(), UMax->op_end());
1424       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1425       DeletedUMax = true;
1426     }
1427
1428     if (DeletedUMax)
1429       return getUMaxExpr(Ops);
1430   }
1431
1432   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1433   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1434   // be adjacent.
1435   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1436     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X umax Y umax Y  -->  X umax Y
1437       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1438       --i; --e;
1439     }
1440
1441   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1442
1443   assert(!Ops.empty() && "Reduced umax down to nothing!");
1444
1445   // Okay, it looks like we really DO need a umax expr.  Check to see if we
1446   // already have one, otherwise create a new one.
1447   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1448   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scUMaxExpr,
1449                                                                  SCEVOps)];
1450   if (Result == 0) Result = new SCEVUMaxExpr(Ops);
1451   return Result;
1452 }
1453
1454 SCEVHandle ScalarEvolution::getUnknown(Value *V) {
1455   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1456     return getConstant(CI);
1457   if (isa<ConstantPointerNull>(V))
1458     return getIntegerSCEV(0, V->getType());
1459   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1460   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1461   return Result;
1462 }
1463
1464 //===----------------------------------------------------------------------===//
1465 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1466 //
1467
1468 /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
1469 /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
1470 /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
1471 /// has access to target-specific information.
1472 bool ScalarEvolution::isSCEVable(const Type *Ty) const {
1473   // Integers are always SCEVable.
1474   if (Ty->isInteger())
1475     return true;
1476
1477   // Pointers are SCEVable if TargetData information is available
1478   // to provide pointer size information.
1479   if (isa<PointerType>(Ty))
1480     return TD != NULL;
1481
1482   // Otherwise it's not SCEVable.
1483   return false;
1484 }
1485
1486 /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
1487 /// for which isSCEVable must return true.
1488 uint64_t ScalarEvolution::getTypeSizeInBits(const Type *Ty) const {
1489   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
1490
1491   // If we have a TargetData, use it!
1492   if (TD)
1493     return TD->getTypeSizeInBits(Ty);
1494
1495   // Otherwise, we support only integer types.
1496   assert(Ty->isInteger() && "isSCEVable permitted a non-SCEVable type!");
1497   return Ty->getPrimitiveSizeInBits();
1498 }
1499
1500 /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
1501 /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
1502 /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
1503 /// this is the pointer-sized integer type.
1504 const Type *ScalarEvolution::getEffectiveSCEVType(const Type *Ty) const {
1505   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
1506
1507   if (Ty->isInteger())
1508     return Ty;
1509
1510   assert(isa<PointerType>(Ty) && "Unexpected non-pointer non-integer type!");
1511   return TD->getIntPtrType();
1512 }
1513
1514 SCEVHandle ScalarEvolution::getCouldNotCompute() {
1515   return UnknownValue;
1516 }
1517
1518 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1519 /// computed.
1520 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
1521   return Scalars.count(V);
1522 }
1523
1524 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1525 /// expression and create a new one.
1526 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) {
1527   assert(isSCEVable(V->getType()) && "Value is not SCEVable!");
1528
1529   std::map<SCEVCallbackVH, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1530   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1531   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1532   Scalars.insert(std::make_pair(SCEVCallbackVH(V, this), S));
1533   return S;
1534 }
1535
1536 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
1537 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
1538 SCEVHandle ScalarEvolution::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
1539   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1540   Constant *C;
1541   if (Val == 0)
1542     C = Constant::getNullValue(Ty);
1543   else if (Ty->isFloatingPoint())
1544     C = ConstantFP::get(APFloat(Ty==Type::FloatTy ? APFloat::IEEEsingle :
1545                                 APFloat::IEEEdouble, Val));
1546   else
1547     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
1548   return getUnknown(C);
1549 }
1550
1551 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
1552 ///
1553 SCEVHandle ScalarEvolution::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
1554   if (const SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
1555     return getUnknown(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
1556
1557   const Type *Ty = V->getType();
1558   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1559   return getMulExpr(V, getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)));
1560 }
1561
1562 /// getNotSCEV - Return a SCEV corresponding to ~V = -1-V
1563 SCEVHandle ScalarEvolution::getNotSCEV(const SCEVHandle &V) {
1564   if (const SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
1565     return getUnknown(ConstantExpr::getNot(VC->getValue()));
1566
1567   const Type *Ty = V->getType();
1568   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1569   SCEVHandle AllOnes = getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty));
1570   return getMinusSCEV(AllOnes, V);
1571 }
1572
1573 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
1574 ///
1575 SCEVHandle ScalarEvolution::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
1576                                          const SCEVHandle &RHS) {
1577   // X - Y --> X + -Y
1578   return getAddExpr(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
1579 }
1580
1581 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
1582 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
1583 /// extended.
1584 SCEVHandle
1585 ScalarEvolution::getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V,
1586                                          const Type *Ty) {
1587   const Type *SrcTy = V->getType();
1588   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
1589          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
1590          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
1591   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
1592     return V;  // No conversion
1593   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
1594     return getTruncateExpr(V, Ty);
1595   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
1596 }
1597
1598 /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
1599 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is sign
1600 /// extended.
1601 SCEVHandle
1602 ScalarEvolution::getTruncateOrSignExtend(const SCEVHandle &V,
1603                                          const Type *Ty) {
1604   const Type *SrcTy = V->getType();
1605   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
1606          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
1607          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
1608   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
1609     return V;  // No conversion
1610   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
1611     return getTruncateExpr(V, Ty);
1612   return getSignExtendExpr(V, Ty);
1613 }
1614
1615 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1616 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1617 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1618 void ScalarEvolution::
1619 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1620                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1621   std::map<SCEVCallbackVH, SCEVHandle>::iterator SI =
1622     Scalars.find(SCEVCallbackVH(I, this));
1623   if (SI == Scalars.end()) return;
1624
1625   SCEVHandle NV =
1626     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal, *this);
1627   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1628
1629   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1630
1631   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1632   // updated!
1633   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1634        UI != E; ++UI)
1635     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1636 }
1637
1638 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1639 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1640 ///
1641 SCEVHandle ScalarEvolution::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1642   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1643     if (const Loop *L = LI->getLoopFor(PN->getParent()))
1644       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1645         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1646         // from outside the loop, and one from inside.
1647         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1648         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1649
1650         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1651         SCEVHandle SymbolicName = getUnknown(PN);
1652         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1653                "PHI node already processed?");
1654         Scalars.insert(std::make_pair(SCEVCallbackVH(PN, this), SymbolicName));
1655
1656         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1657         // the back-edge.
1658         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1659
1660         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1661         // has a special value for the first iteration of the loop.
1662
1663         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1664         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1665         if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1666           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1667           // with a recurrence.
1668           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1669           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1670             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1671               if (FoundIndex == e) {
1672                 FoundIndex = i;
1673                 break;
1674               }
1675
1676           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1677             // Create an add with everything but the specified operand.
1678             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1679             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1680               if (i != FoundIndex)
1681                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1682             SCEVHandle Accum = getAddExpr(Ops);
1683
1684             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1685             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1686             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1687                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1688                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1689               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1690               SCEVHandle PHISCEV  = getAddRecExpr(StartVal, Accum, L);
1691
1692               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1693               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1694               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1695               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1696               // value.
1697               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1698               return PHISCEV;
1699             }
1700           }
1701         } else if (const SCEVAddRecExpr *AddRec =
1702                      dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1703           // Otherwise, this could be a loop like this:
1704           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1705           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1706           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1707           // i really is an addrec evolution.
1708           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1709             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1710
1711             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1712             // initial step of the addrec evolution.
1713             if (StartVal == getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1714                                             AddRec->getOperand(1))) {
1715               SCEVHandle PHISCEV = 
1716                  getAddRecExpr(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1717
1718               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1719               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1720               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1721               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1722               // value.
1723               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1724               return PHISCEV;
1725             }
1726           }
1727         }
1728
1729         return SymbolicName;
1730       }
1731
1732   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1733   return getUnknown(PN);
1734 }
1735
1736 /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S is
1737 /// guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same time,
1738 /// the minimum number of times S is divisible by 2.  For example, given {4,+,8}
1739 /// it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the bitwidth of S.
1740 static uint32_t GetMinTrailingZeros(SCEVHandle S, const ScalarEvolution &SE) {
1741   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
1742     return C->getValue()->getValue().countTrailingZeros();
1743
1744   if (const SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1745     return std::min(GetMinTrailingZeros(T->getOperand(), SE),
1746                     (uint32_t)SE.getTypeSizeInBits(T->getType()));
1747
1748   if (const SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
1749     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand(), SE);
1750     return OpRes == SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
1751              SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) : OpRes;
1752   }
1753
1754   if (const SCEVSignExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
1755     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand(), SE);
1756     return OpRes == SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
1757              SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) : OpRes;
1758   }
1759
1760   if (const SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1761     // The result is the min of all operands results.
1762     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0), SE);
1763     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1764       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i), SE));
1765     return MinOpRes;
1766   }
1767
1768   if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1769     // The result is the sum of all operands results.
1770     uint32_t SumOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1771     uint32_t BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(M->getType());
1772     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands();
1773          SumOpRes != BitWidth && i != e; ++i)
1774       SumOpRes = std::min(SumOpRes + GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE),
1775                           BitWidth);
1776     return SumOpRes;
1777   }
1778
1779   if (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1780     // The result is the min of all operands results.
1781     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0), SE);
1782     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1783       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i), SE));
1784     return MinOpRes;
1785   }
1786
1787   if (const SCEVSMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
1788     // The result is the min of all operands results.
1789     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1790     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1791       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE));
1792     return MinOpRes;
1793   }
1794
1795   if (const SCEVUMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
1796     // The result is the min of all operands results.
1797     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1798     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1799       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE));
1800     return MinOpRes;
1801   }
1802
1803   // SCEVUDivExpr, SCEVUnknown
1804   return 0;
1805 }
1806
1807 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1808 /// Analyze the expression.
1809 ///
1810 SCEVHandle ScalarEvolution::createSCEV(Value *V) {
1811   if (!isSCEVable(V->getType()))
1812     return getUnknown(V);
1813
1814   unsigned Opcode = Instruction::UserOp1;
1815   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
1816     Opcode = I->getOpcode();
1817   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
1818     Opcode = CE->getOpcode();
1819   else
1820     return getUnknown(V);
1821
1822   User *U = cast<User>(V);
1823   switch (Opcode) {
1824   case Instruction::Add:
1825     return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1826                       getSCEV(U->getOperand(1)));
1827   case Instruction::Mul:
1828     return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1829                       getSCEV(U->getOperand(1)));
1830   case Instruction::UDiv:
1831     return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1832                        getSCEV(U->getOperand(1)));
1833   case Instruction::Sub:
1834     return getMinusSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)),
1835                         getSCEV(U->getOperand(1)));
1836   case Instruction::And:
1837     // For an expression like x&255 that merely masks off the high bits,
1838     // use zext(trunc(x)) as the SCEV expression.
1839     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1840       if (CI->isNullValue())
1841         return getSCEV(U->getOperand(1));
1842       if (CI->isAllOnesValue())
1843         return getSCEV(U->getOperand(0));
1844       const APInt &A = CI->getValue();
1845       unsigned Ones = A.countTrailingOnes();
1846       if (APIntOps::isMask(Ones, A))
1847         return
1848           getZeroExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1849                                             IntegerType::get(Ones)),
1850                             U->getType());
1851     }
1852     break;
1853   case Instruction::Or:
1854     // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1855     // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an Add so loop
1856     // optimizations will transparently handle this case.
1857     //
1858     // In order for this transformation to be safe, the LHS must be of the
1859     // form X*(2^n) and the Or constant must be less than 2^n.
1860     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1861       SCEVHandle LHS = getSCEV(U->getOperand(0));
1862       const APInt &CIVal = CI->getValue();
1863       if (GetMinTrailingZeros(LHS, *this) >=
1864           (CIVal.getBitWidth() - CIVal.countLeadingZeros()))
1865         return getAddExpr(LHS, getSCEV(U->getOperand(1)));
1866     }
1867     break;
1868   case Instruction::Xor:
1869     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1870       // If the RHS of the xor is a signbit, then this is just an add.
1871       // Instcombine turns add of signbit into xor as a strength reduction step.
1872       if (CI->getValue().isSignBit())
1873         return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1874                           getSCEV(U->getOperand(1)));
1875
1876       // If the RHS of xor is -1, then this is a not operation.
1877       else if (CI->isAllOnesValue())
1878         return getNotSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)));
1879     }
1880     break;
1881
1882   case Instruction::Shl:
1883     // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1884     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1885       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1886       Constant *X = ConstantInt::get(
1887         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1888       return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1889     }
1890     break;
1891
1892   case Instruction::LShr:
1893     // Turn logical shift right of a constant into a unsigned divide.
1894     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1895       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1896       Constant *X = ConstantInt::get(
1897         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1898       return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1899     }
1900     break;
1901
1902   case Instruction::AShr:
1903     // For a two-shift sext-inreg, use sext(trunc(x)) as the SCEV expression.
1904     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1)))
1905       if (Instruction *L = dyn_cast<Instruction>(U->getOperand(0)))
1906         if (L->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1907             L->getOperand(1) == U->getOperand(1)) {
1908           unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(U->getType());
1909           uint64_t Amt = BitWidth - CI->getZExtValue();
1910           if (Amt == BitWidth)
1911             return getSCEV(L->getOperand(0));       // shift by zero --> noop
1912           if (Amt > BitWidth)
1913             return getIntegerSCEV(0, U->getType()); // value is undefined
1914           return
1915             getSignExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(L->getOperand(0)),
1916                                                       IntegerType::get(Amt)),
1917                                  U->getType());
1918         }
1919     break;
1920
1921   case Instruction::Trunc:
1922     return getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1923
1924   case Instruction::ZExt:
1925     return getZeroExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1926
1927   case Instruction::SExt:
1928     return getSignExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1929
1930   case Instruction::BitCast:
1931     // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1932     if (isSCEVable(U->getType()) && isSCEVable(U->getOperand(0)->getType()))
1933       return getSCEV(U->getOperand(0));
1934     break;
1935
1936   case Instruction::IntToPtr:
1937     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1938     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
1939                                    TD->getIntPtrType());
1940
1941   case Instruction::PtrToInt:
1942     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1943     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
1944                                    U->getType());
1945
1946   case Instruction::GetElementPtr: {
1947     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1948     const Type *IntPtrTy = TD->getIntPtrType();
1949     Value *Base = U->getOperand(0);
1950     SCEVHandle TotalOffset = getIntegerSCEV(0, IntPtrTy);
1951     gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(U);
1952     for (GetElementPtrInst::op_iterator I = next(U->op_begin()),
1953                                         E = U->op_end();
1954          I != E; ++I) {
1955       Value *Index = *I;
1956       // Compute the (potentially symbolic) offset in bytes for this index.
1957       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI++)) {
1958         // For a struct, add the member offset.
1959         const StructLayout &SL = *TD->getStructLayout(STy);
1960         unsigned FieldNo = cast<ConstantInt>(Index)->getZExtValue();
1961         uint64_t Offset = SL.getElementOffset(FieldNo);
1962         TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset,
1963                                     getIntegerSCEV(Offset, IntPtrTy));
1964       } else {
1965         // For an array, add the element offset, explicitly scaled.
1966         SCEVHandle LocalOffset = getSCEV(Index);
1967         if (!isa<PointerType>(LocalOffset->getType()))
1968           // Getelementptr indicies are signed.
1969           LocalOffset = getTruncateOrSignExtend(LocalOffset,
1970                                                 IntPtrTy);
1971         LocalOffset =
1972           getMulExpr(LocalOffset,
1973                      getIntegerSCEV(TD->getTypePaddedSize(*GTI),
1974                                     IntPtrTy));
1975         TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset, LocalOffset);
1976       }
1977     }
1978     return getAddExpr(getSCEV(Base), TotalOffset);
1979   }
1980
1981   case Instruction::PHI:
1982     return createNodeForPHI(cast<PHINode>(U));
1983
1984   case Instruction::Select:
1985     // This could be a smax or umax that was lowered earlier.
1986     // Try to recover it.
1987     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(U->getOperand(0))) {
1988       Value *LHS = ICI->getOperand(0);
1989       Value *RHS = ICI->getOperand(1);
1990       switch (ICI->getPredicate()) {
1991       case ICmpInst::ICMP_SLT:
1992       case ICmpInst::ICMP_SLE:
1993         std::swap(LHS, RHS);
1994         // fall through
1995       case ICmpInst::ICMP_SGT:
1996       case ICmpInst::ICMP_SGE:
1997         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
1998           return getSMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1999         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
2000           // ~smax(~x, ~y) == smin(x, y).
2001           return getNotSCEV(getSMaxExpr(
2002                                    getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
2003                                    getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
2004         break;
2005       case ICmpInst::ICMP_ULT:
2006       case ICmpInst::ICMP_ULE:
2007         std::swap(LHS, RHS);
2008         // fall through
2009       case ICmpInst::ICMP_UGT:
2010       case ICmpInst::ICMP_UGE:
2011         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
2012           return getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2013         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
2014           // ~umax(~x, ~y) == umin(x, y)
2015           return getNotSCEV(getUMaxExpr(getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
2016                                         getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
2017         break;
2018       default:
2019         break;
2020       }
2021     }
2022
2023   default: // We cannot analyze this expression.
2024     break;
2025   }
2026
2027   return getUnknown(V);
2028 }
2029
2030
2031
2032 //===----------------------------------------------------------------------===//
2033 //                   Iteration Count Computation Code
2034 //
2035
2036 /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
2037 /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
2038 /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
2039 /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
2040 /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
2041 /// when the header is branched to from outside the loop.
2042 ///
2043 /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
2044 /// loop-invariant backedge-taken count (see
2045 /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
2046 ///
2047 SCEVHandle ScalarEvolution::getBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2048   return getBackedgeTakenInfo(L).Exact;
2049 }
2050
2051 /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
2052 /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
2053 /// actual backedge taken count.
2054 SCEVHandle ScalarEvolution::getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2055   return getBackedgeTakenInfo(L).Max;
2056 }
2057
2058 const ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo &
2059 ScalarEvolution::getBackedgeTakenInfo(const Loop *L) {
2060   // Initially insert a CouldNotCompute for this loop. If the insertion
2061   // succeeds, procede to actually compute a backedge-taken count and
2062   // update the value. The temporary CouldNotCompute value tells SCEV
2063   // code elsewhere that it shouldn't attempt to request a new
2064   // backedge-taken count, which could result in infinite recursion.
2065   std::pair<std::map<const Loop*, BackedgeTakenInfo>::iterator, bool> Pair =
2066     BackedgeTakenCounts.insert(std::make_pair(L, getCouldNotCompute()));
2067   if (Pair.second) {
2068     BackedgeTakenInfo ItCount = ComputeBackedgeTakenCount(L);
2069     if (ItCount.Exact != UnknownValue) {
2070       assert(ItCount.Exact->isLoopInvariant(L) &&
2071              ItCount.Max->isLoopInvariant(L) &&
2072              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
2073       ++NumTripCountsComputed;
2074
2075       // Update the value in the map.
2076       Pair.first->second = ItCount;
2077     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
2078       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
2079       ++NumTripCountsNotComputed;
2080     }
2081
2082     // Now that we know more about the trip count for this loop, forget any
2083     // existing SCEV values for PHI nodes in this loop since they are only
2084     // conservative estimates made without the benefit
2085     // of trip count information.
2086     if (ItCount.hasAnyInfo())
2087       forgetLoopPHIs(L);
2088   }
2089   return Pair.first->second;
2090 }
2091
2092 /// forgetLoopBackedgeTakenCount - This method should be called by the
2093 /// client when it has changed a loop in a way that may effect
2094 /// ScalarEvolution's ability to compute a trip count, or if the loop
2095 /// is deleted.
2096 void ScalarEvolution::forgetLoopBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2097   BackedgeTakenCounts.erase(L);
2098   forgetLoopPHIs(L);
2099 }
2100
2101 /// forgetLoopPHIs - Delete the memoized SCEVs associated with the
2102 /// PHI nodes in the given loop. This is used when the trip count of
2103 /// the loop may have changed.
2104 void ScalarEvolution::forgetLoopPHIs(const Loop *L) {
2105   BasicBlock *Header = L->getHeader();
2106
2107   SmallVector<Instruction *, 16> Worklist;
2108   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
2109        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
2110     Worklist.push_back(PN);
2111
2112   while (!Worklist.empty()) {
2113     Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
2114     if (Scalars.erase(I))
2115       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
2116            UI != UE; ++UI)
2117         Worklist.push_back(cast<Instruction>(UI));
2118   }
2119 }
2120
2121 /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the backedge
2122 /// of the specified loop will execute.
2123 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
2124 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2125   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
2126   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
2127   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2128   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
2129
2130   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
2131   // loop to be exited.
2132   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
2133
2134   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
2135   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
2136        PI != E; ++PI)
2137     if (L->contains(*PI)) {
2138       if (ExitingBlock == 0)
2139         ExitingBlock = *PI;
2140       else
2141         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
2142     }
2143   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
2144
2145   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
2146   // exit.
2147   //
2148   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
2149   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2150   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
2151   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
2152   
2153   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
2154   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
2155   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
2156   // not be equal to the trip count of the loop.
2157   //
2158   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
2159   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
2160   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
2161   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
2162   // could be done to handle more cases here.
2163   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
2164       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
2165       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
2166     return UnknownValue;
2167   
2168   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
2169
2170   // If it's not an integer comparison then compute it the hard way. 
2171   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
2172   // the type of the operand.
2173   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
2174     return ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
2175                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2176
2177   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
2178   ICmpInst::Predicate Cond;
2179   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
2180     Cond = ExitCond->getPredicate();
2181   else
2182     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
2183
2184   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
2185   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
2186     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
2187       SCEVHandle ItCnt =
2188         ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LI, RHS, L, Cond);
2189       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
2190     }
2191
2192   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
2193   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
2194
2195   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
2196   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
2197   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
2198   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
2199   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
2200
2201   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
2202   // loop the predicate will return true for these inputs.
2203   if (LHS->isLoopInvariant(L) && !RHS->isLoopInvariant(L)) {
2204     // If there is a loop-invariant, force it into the RHS.
2205     std::swap(LHS, RHS);
2206     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
2207   }
2208
2209   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
2210   // ranges to answer this query.
2211   if (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
2212     if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
2213       if (AddRec->getLoop() == L) {
2214         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
2215         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
2216         // comparison.
2217         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
2218         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
2219         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
2220           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
2221         if (CompVal) {
2222           // Form the constant range.
2223           ConstantRange CompRange(
2224               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
2225
2226           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, *this);
2227           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
2228         }
2229       }
2230
2231   switch (Cond) {
2232   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
2233     // Convert to: while (X-Y != 0)
2234     SCEVHandle TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2235     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2236     break;
2237   }
2238   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
2239     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
2240     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2241     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2242     break;
2243   }
2244   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
2245     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, true);
2246     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2247     break;
2248   }
2249   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
2250     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
2251                                              getNotSCEV(RHS), L, true);
2252     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2253     break;
2254   }
2255   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
2256     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, false);
2257     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2258     break;
2259   }
2260   case ICmpInst::ICMP_UGT: {
2261     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
2262                                              getNotSCEV(RHS), L, false);
2263     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2264     break;
2265   }
2266   default:
2267 #if 0
2268     errs() << "ComputeBackedgeTakenCount ";
2269     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
2270       errs() << "[unsigned] ";
2271     errs() << *LHS << "   "
2272          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
2273          << "   " << *RHS << "\n";
2274 #endif
2275     break;
2276   }
2277   return
2278     ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitCond,
2279                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2280 }
2281
2282 static ConstantInt *
2283 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ConstantInt *C,
2284                                 ScalarEvolution &SE) {
2285   SCEVHandle InVal = SE.getConstant(C);
2286   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal, SE);
2287   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
2288          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
2289   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
2290 }
2291
2292 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
2293 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
2294 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
2295 /// invalid.
2296 static Constant *
2297 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
2298                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
2299   Constant *Init = GV->getInitializer();
2300   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
2301     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
2302     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
2303       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
2304       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
2305     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
2306       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
2307       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
2308     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
2309       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2310         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
2311         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
2312       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
2313         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
2314         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
2315       } else {
2316         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
2317       }
2318       return 0;
2319     } else {
2320       return 0; // Unknown initializer type
2321     }
2322   }
2323   return Init;
2324 }
2325
2326 /// ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount - Given an exit condition of
2327 /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the backedge
2328 /// execution count.
2329 SCEVHandle ScalarEvolution::
2330 ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
2331                                              const Loop *L,
2332                                              ICmpInst::Predicate predicate) {
2333   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
2334
2335   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
2336   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
2337   if (!GEP) return UnknownValue;
2338
2339   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
2340   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
2341   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
2342   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
2343       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
2344       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
2345     return UnknownValue;
2346
2347   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
2348   Value *VarIdx = 0;
2349   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
2350   unsigned VarIdxNum = 0;
2351   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
2352     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2353       Indexes.push_back(CI);
2354     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2355       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
2356       VarIdx = GEP->getOperand(i);
2357       VarIdxNum = i-2;
2358       Indexes.push_back(0);
2359     }
2360
2361   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
2362   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
2363   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
2364   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
2365   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
2366
2367   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
2368   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
2369   const SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
2370   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
2371       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
2372       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
2373     return UnknownValue;
2374
2375   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
2376   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
2377     ConstantInt *ItCst =
2378       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
2379     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst, *this);
2380
2381     // Form the GEP offset.
2382     Indexes[VarIdxNum] = Val;
2383
2384     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
2385     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
2386
2387     // Evaluate the condition for this iteration.
2388     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
2389     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
2390     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
2391 #if 0
2392       errs() << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
2393              << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
2394              << "***\n";
2395 #endif
2396       ++NumArrayLenItCounts;
2397       return getConstant(ItCst);   // Found terminating iteration!
2398     }
2399   }
2400   return UnknownValue;
2401 }
2402
2403
2404 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
2405 /// specified type, assuming that all operands were constants.
2406 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
2407   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2408       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
2409     return true;
2410
2411   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
2412     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
2413       return canConstantFoldCallTo(F);
2414   return false;
2415 }
2416
2417 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
2418 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
2419 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
2420 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
2421 /// constraints, return null.
2422 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
2423   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
2424   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
2425   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
2426   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
2427
2428   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
2429     if (L->getHeader() == I->getParent())
2430       return PN;
2431     else
2432       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
2433       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
2434       return 0;
2435   }
2436
2437   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
2438   // are constants, return early.
2439   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
2440
2441   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
2442   // constant or derived from a PHI node themselves.
2443   PHINode *PHI = 0;
2444   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
2445     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
2446           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
2447       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
2448       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
2449       if (PHI == 0)
2450         PHI = P;
2451       else if (PHI != P)
2452         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
2453     }
2454
2455   // This is a expression evolving from a constant PHI!
2456   return PHI;
2457 }
2458
2459 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
2460 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
2461 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
2462 /// reason, return null.
2463 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
2464   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
2465   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
2466   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V)) return GV;
2467   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
2468
2469   std::vector<Constant*> Operands;
2470   Operands.resize(I->getNumOperands());
2471
2472   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2473     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
2474     if (Operands[i] == 0) return 0;
2475   }
2476
2477   if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2478     return ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2479                                            &Operands[0], Operands.size());
2480   else
2481     return ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2482                                     &Operands[0], Operands.size());
2483 }
2484
2485 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
2486 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
2487 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
2488 /// involving constants, fold it.
2489 Constant *ScalarEvolution::
2490 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& BEs, const Loop *L){
2491   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
2492     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
2493   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
2494     return I->second;
2495
2496   if (BEs.ugt(APInt(BEs.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
2497     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
2498
2499   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
2500
2501   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2502   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2503   // second must be derived from the same PHI.
2504   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2505   Constant *StartCST =
2506     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2507   if (StartCST == 0)
2508     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
2509
2510   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2511   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2512   if (PN2 != PN)
2513     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
2514
2515   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
2516   if (BEs.getActiveBits() >= 32)
2517     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
2518
2519   unsigned NumIterations = BEs.getZExtValue(); // must be in range
2520   unsigned IterationNum = 0;
2521   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
2522     if (IterationNum == NumIterations)
2523       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
2524
2525     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2526     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2527     if (NextPHI == PHIVal)
2528       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
2529     if (NextPHI == 0)
2530       return 0;        // Couldn't evaluate!
2531     PHIVal = NextPHI;
2532   }
2533 }
2534
2535 /// ComputeBackedgeTakenCountExhaustively - If the trip is known to execute a
2536 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
2537 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
2538 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
2539 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
2540 SCEVHandle ScalarEvolution::
2541 ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
2542   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
2543   if (PN == 0) return UnknownValue;
2544
2545   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2546   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2547   // second must be derived from the same PHI.
2548   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2549   Constant *StartCST =
2550     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2551   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
2552
2553   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2554   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2555   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
2556
2557   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
2558   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
2559   // "ExitWhen".
2560   unsigned IterationNum = 0;
2561   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
2562   for (Constant *PHIVal = StartCST;
2563        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
2564     ConstantInt *CondVal =
2565       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
2566
2567     // Couldn't symbolically evaluate.
2568     if (!CondVal) return UnknownValue;
2569
2570     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
2571       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
2572       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
2573       return getConstant(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
2574     }
2575
2576     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2577     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2578     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
2579       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
2580     PHIVal = NextPHI;
2581   }
2582
2583   // Too many iterations were needed to evaluate.
2584   return UnknownValue;
2585 }
2586
2587 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
2588 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
2589 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
2590 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(const SCEV *V, const Loop *L) {
2591   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
2592
2593   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
2594
2595   // If this instruction is evolved from a constant-evolving PHI, compute the
2596   // exit value from the loop without using SCEVs.
2597   if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
2598     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
2599       const Loop *LI = (*this->LI)[I->getParent()];
2600       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
2601         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
2602           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
2603             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
2604             // to see if the loop that contains it has a known backedge-taken
2605             // count.  If so, we may be able to force computation of the exit
2606             // value.
2607             SCEVHandle BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(LI);
2608             if (const SCEVConstant *BTCC =
2609                   dyn_cast<SCEVConstant>(BackedgeTakenCount)) {
2610               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
2611               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
2612               // the specified iteration number.
2613               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
2614                                                    BTCC->getValue()->getValue(),
2615                                                                LI);
2616               if (RV) return getUnknown(RV);
2617             }
2618           }
2619
2620       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
2621       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
2622       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
2623       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
2624       if (CanConstantFold(I)) {
2625         std::vector<Constant*> Operands;
2626         Operands.reserve(I->getNumOperands());
2627         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2628           Value *Op = I->getOperand(i);
2629           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
2630             Operands.push_back(C);
2631           } else {
2632             // If any of the operands is non-constant and if they are
2633             // non-integer and non-pointer, don't even try to analyze them
2634             // with scev techniques.
2635             if (!isSCEVable(Op->getType()))
2636               return V;
2637
2638             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
2639             if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV)) {
2640               Constant *C = SC->getValue();
2641               if (C->getType() != Op->getType())
2642                 C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
2643                                                                   Op->getType(),
2644                                                                   false),
2645                                           C, Op->getType());
2646               Operands.push_back(C);
2647             } else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
2648               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue())) {
2649                 if (C->getType() != Op->getType())
2650                   C =
2651                     ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
2652                                                                   Op->getType(),
2653                                                                   false),
2654                                           C, Op->getType());
2655                 Operands.push_back(C);
2656               } else
2657                 return V;
2658             } else {
2659               return V;
2660             }
2661           }
2662         }
2663         
2664         Constant *C;
2665         if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2666           C = ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2667                                               &Operands[0], Operands.size());
2668         else
2669           C = ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2670                                        &Operands[0], Operands.size());
2671         return getUnknown(C);
2672       }
2673     }
2674
2675     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
2676     return V;
2677   }
2678
2679   if (const SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
2680     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
2681     // expression has no loop-variant portions.
2682     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2683       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2684       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2685         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2686         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2687         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2688         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2689         NewOps.push_back(OpAtScope);
2690
2691         for (++i; i != e; ++i) {
2692           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2693           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2694           NewOps.push_back(OpAtScope);
2695         }
2696         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2697           return getAddExpr(NewOps);
2698         if (isa<SCEVMulExpr>(Comm))
2699           return getMulExpr(NewOps);
2700         if (isa<SCEVSMaxExpr>(Comm))
2701           return getSMaxExpr(NewOps);
2702         if (isa<SCEVUMaxExpr>(Comm))
2703           return getUMaxExpr(NewOps);
2704         assert(0 && "Unknown commutative SCEV type!");
2705       }
2706     }
2707     // If we got here, all operands are loop invariant.
2708     return Comm;
2709   }
2710
2711   if (const SCEVUDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
2712     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2713     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2714     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2715     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2716     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2717       return Div;   // must be loop invariant
2718     return getUDivExpr(LHS, RHS);
2719   }
2720
2721   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2722   // are dealing with the final value computed by the loop.
2723   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2724     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2725       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2726       // loop iterates.  Compute this now.
2727       SCEVHandle BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
2728       if (BackedgeTakenCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2729
2730       // Then, evaluate the AddRec.
2731       return AddRec->evaluateAtIteration(BackedgeTakenCount, *this);
2732     }
2733     return UnknownValue;
2734   }
2735
2736   if (const SCEVZeroExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(V)) {
2737     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2738     if (Op == UnknownValue) return Op;
2739     if (Op == Cast->getOperand())
2740       return Cast;  // must be loop invariant
2741     return getZeroExtendExpr(Op, Cast->getType());
2742   }
2743
2744   if (const SCEVSignExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(V)) {
2745     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2746     if (Op == UnknownValue) return Op;
2747     if (Op == Cast->getOperand())
2748       return Cast;  // must be loop invariant
2749     return getSignExtendExpr(Op, Cast->getType());
2750   }
2751
2752   if (const SCEVTruncateExpr *Cast = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(V)) {
2753     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2754     if (Op == UnknownValue) return Op;
2755     if (Op == Cast->getOperand())
2756       return Cast;  // must be loop invariant
2757     return getTruncateExpr(Op, Cast->getType());
2758   }
2759
2760   assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2761 }
2762
2763 /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression handle for the specified value
2764 /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
2765 /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
2766 /// specified loop is immediately inside of the loop.
2767 ///
2768 /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
2769 /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
2770 ///
2771 /// If this value is not computable at this scope, a SCEVCouldNotCompute
2772 /// object is returned.
2773 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) {
2774   return getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2775 }
2776
2777 /// SolveLinEquationWithOverflow - Finds the minimum unsigned root of the
2778 /// following equation:
2779 ///
2780 ///     A * X = B (mod N)
2781 ///
2782 /// where N = 2^BW and BW is the common bit width of A and B. The signedness of
2783 /// A and B isn't important.
2784 ///
2785 /// If the equation does not have a solution, SCEVCouldNotCompute is returned.
2786 static SCEVHandle SolveLinEquationWithOverflow(const APInt &A, const APInt &B,
2787                                                ScalarEvolution &SE) {
2788   uint32_t BW = A.getBitWidth();
2789   assert(BW == B.getBitWidth() && "Bit widths must be the same.");
2790   assert(A != 0 && "A must be non-zero.");
2791
2792   // 1. D = gcd(A, N)
2793   //
2794   // The gcd of A and N may have only one prime factor: 2. The number of
2795   // trailing zeros in A is its multiplicity
2796   uint32_t Mult2 = A.countTrailingZeros();
2797   // D = 2^Mult2
2798
2799   // 2. Check if B is divisible by D.
2800   //
2801   // B is divisible by D if and only if the multiplicity of prime factor 2 for B
2802   // is not less than multiplicity of this prime factor for D.
2803   if (B.countTrailingZeros() < Mult2)
2804     return SE.getCouldNotCompute();
2805
2806   // 3. Compute I: the multiplicative inverse of (A / D) in arithmetic
2807   // modulo (N / D).
2808   //
2809   // (N / D) may need BW+1 bits in its representation.  Hence, we'll use this
2810   // bit width during computations.
2811   APInt AD = A.lshr(Mult2).zext(BW + 1);  // AD = A / D
2812   APInt Mod(BW + 1, 0);
2813   Mod.set(BW - Mult2);  // Mod = N / D
2814   APInt I = AD.multiplicativeInverse(Mod);
2815
2816   // 4. Compute the minimum unsigned root of the equation:
2817   // I * (B / D) mod (N / D)
2818   APInt Result = (I * B.lshr(Mult2).zext(BW + 1)).urem(Mod);
2819
2820   // The result is guaranteed to be less than 2^BW so we may truncate it to BW
2821   // bits.
2822   return SE.getConstant(Result.trunc(BW));
2823 }
2824
2825 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2826 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2827 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2828 ///
2829 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2830 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ScalarEvolution &SE) {
2831   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2832   const SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2833   const SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2834   const SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2835
2836   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2837   if (!LC || !MC || !NC) {
2838     const SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
2839     return std::make_pair(CNC, CNC);
2840   }
2841
2842   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2843   const APInt &L = LC->getValue()->getValue();
2844   const APInt &M = MC->getValue()->getValue();
2845   const APInt &N = NC->getValue()->getValue();
2846   APInt Two(BitWidth, 2);
2847   APInt Four(BitWidth, 4);
2848
2849   { 
2850     using namespace APIntOps;
2851     const APInt& C = L;
2852     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2853     // The B coefficient is M-N/2
2854     APInt B(M);
2855     B -= sdiv(N,Two);
2856
2857     // The A coefficient is N/2
2858     APInt A(N.sdiv(Two));
2859
2860     // Compute the B^2-4ac term.
2861     APInt SqrtTerm(B);
2862     SqrtTerm *= B;
2863     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2864
2865     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2866     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2867     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2868
2869     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2870     // The divisions must be performed as signed divisions.
2871     APInt NegB(-B);
2872     APInt TwoA( A << 1 );
2873     if (TwoA.isMinValue()) {
2874       const SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
2875       return std::make_pair(CNC, CNC);
2876     }
2877
2878     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2879     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2880
2881     return std::make_pair(SE.getConstant(Solution1), 
2882                           SE.getConstant(Solution2));
2883     } // end APIntOps namespace
2884 }
2885
2886 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2887 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2888 SCEVHandle ScalarEvolution::HowFarToZero(const SCEV *V, const Loop *L) {
2889   // If the value is a constant
2890   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2891     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2892     if (C->getValue()->isZero()) return C;
2893     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2894   }
2895
2896   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2897   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2898     return UnknownValue;
2899
2900   if (AddRec->isAffine()) {
2901     // If this is an affine expression, the execution count of this branch is
2902     // the minimum unsigned root of the following equation:
2903     //
2904     //     Start + Step*N = 0 (mod 2^BW)
2905     //
2906     // equivalent to:
2907     //
2908     //             Step*N = -Start (mod 2^BW)
2909     //
2910     // where BW is the common bit width of Start and Step.
2911
2912     // Get the initial value for the loop.
2913     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2914     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2915
2916     SCEVHandle Step = getSCEVAtScope(AddRec->getOperand(1), L->getParentLoop());
2917
2918     if (const SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2919       // For now we handle only constant steps.
2920
2921       // First, handle unitary steps.
2922       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // 1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2923         return getNegativeSCEV(Start);       //   N = -Start (as unsigned)
2924       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // -1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2925         return Start;                           //    N = Start (as unsigned)
2926
2927       // Then, try to solve the above equation provided that Start is constant.
2928       if (const SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start))
2929         return SolveLinEquationWithOverflow(StepC->getValue()->getValue(),
2930                                             -StartC->getValue()->getValue(),
2931                                             *this);
2932     }
2933   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2934     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2935     // the quadratic equation to solve it.
2936     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec,
2937                                                                     *this);
2938     const SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2939     const SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2940     if (R1) {
2941 #if 0
2942       errs() << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2943              << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2944 #endif
2945       // Pick the smallest positive root value.
2946       if (ConstantInt *CB =
2947           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2948                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2949         if (CB->getZExtValue() == false)
2950           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2951
2952         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2953         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2954         // should not accept a root of 2.
2955         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1, *this);
2956         if (Val->isZero())
2957           return R1;  // We found a quadratic root!
2958       }
2959     }
2960   }
2961
2962   return UnknownValue;
2963 }
2964
2965 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2966 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2967 /// UnknownValue
2968 SCEVHandle ScalarEvolution::HowFarToNonZero(const SCEV *V, const Loop *L) {
2969   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2970   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2971   // future as needed.
2972
2973   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2974   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2975   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2976     if (!C->getValue()->isNullValue())
2977       return getIntegerSCEV(0, C->getType());
2978     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2979   }
2980
2981   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2982   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2983   return UnknownValue;
2984 }
2985
2986 /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
2987 /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
2988 /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
2989 /// found.
2990 ///
2991 BasicBlock *
2992 ScalarEvolution::getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB) {
2993   // If the block has a unique predecessor, then there is no path from the
2994   // predecessor to the block that does not go through the direct edge
2995   // from the predecessor to the block.
2996   if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor())
2997     return Pred;
2998
2999   // A loop's header is defined to be a block that dominates the loop.
3000   // If the loop has a preheader, it must be a block that has exactly
3001   // one successor that can reach BB. This is slightly more strict
3002   // than necessary, but works if critical edges are split.
3003   if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
3004     return L->getLoopPreheader();
3005
3006   return 0;
3007 }
3008
3009 /// isLoopGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected by
3010 /// a conditional between LHS and RHS.  This is used to help avoid max
3011 /// expressions in loop trip counts.
3012 bool ScalarEvolution::isLoopGuardedByCond(const Loop *L,
3013                                           ICmpInst::Predicate Pred,
3014                                           const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) {
3015   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
3016   BasicBlock *PreheaderDest = L->getHeader();
3017
3018   // Starting at the preheader, climb up the predecessor chain, as long as
3019   // there are predecessors that can be found that have unique successors
3020   // leading to the original header.
3021   for (; Preheader;
3022        PreheaderDest = Preheader,
3023        Preheader = getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(Preheader)) {
3024
3025     BranchInst *LoopEntryPredicate =
3026       dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
3027     if (!LoopEntryPredicate ||
3028         LoopEntryPredicate->isUnconditional())
3029       continue;
3030
3031     ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoopEntryPredicate->getCondition());
3032     if (!ICI) continue;
3033
3034     // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
3035     // see if it is the comparison we are looking for.
3036     Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
3037     Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
3038     ICmpInst::Predicate Cond;
3039     if (LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) == PreheaderDest)
3040       Cond = ICI->getPredicate();
3041     else
3042       Cond = ICI->getInversePredicate();
3043
3044     if (Cond == Pred)
3045       ; // An exact match.
3046     else if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(Cond) && Pred == ICmpInst::ICMP_NE)
3047       ; // The actual condition is beyond sufficient.
3048     else
3049       // Check a few special cases.
3050       switch (Cond) {
3051       case ICmpInst::ICMP_UGT:
3052         if (Pred == ICmpInst::ICMP_ULT) {
3053           std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3054           Cond = ICmpInst::ICMP_ULT;
3055           break;
3056         }
3057         continue;
3058       case ICmpInst::ICMP_SGT:
3059         if (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT) {
3060           std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3061           Cond = ICmpInst::ICMP_SLT;
3062           break;
3063         }
3064         continue;
3065       case ICmpInst::ICMP_NE:
3066         // Expressions like (x >u 0) are often canonicalized to (x != 0),
3067         // so check for this case by checking if the NE is comparing against
3068         // a minimum or maximum constant.
3069         if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred))
3070           if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(PreCondRHS)) {
3071             const APInt &A = CI->getValue();
3072             switch (Pred) {
3073             case ICmpInst::ICMP_SLT:
3074               if (A.isMaxSignedValue()) break;
3075               continue;
3076             case ICmpInst::ICMP_SGT:
3077               if (A.isMinSignedValue()) break;
3078               continue;
3079             case ICmpInst::ICMP_ULT:
3080               if (A.isMaxValue()) break;
3081               continue;
3082             case ICmpInst::ICMP_UGT:
3083               if (A.isMinValue()) break;
3084               continue;
3085             default:
3086               continue;
3087             }
3088             Cond = ICmpInst::ICMP_NE;
3089             // NE is symmetric but the original comparison may not be. Swap
3090             // the operands if necessary so that they match below.
3091             if (isa<SCEVConstant>(LHS))
3092               std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3093             break;
3094           }
3095         continue;
3096       default:
3097         // We weren't able to reconcile the condition.
3098         continue;
3099       }
3100
3101     if (!PreCondLHS->getType()->isInteger()) continue;
3102
3103     SCEVHandle PreCondLHSSCEV = getSCEV(PreCondLHS);
3104     SCEVHandle PreCondRHSSCEV = getSCEV(PreCondRHS);
3105     if ((LHS == PreCondLHSSCEV && RHS == PreCondRHSSCEV) ||
3106         (LHS == getNotSCEV(PreCondRHSSCEV) &&
3107          RHS == getNotSCEV(PreCondLHSSCEV)))
3108       return true;
3109   }
3110
3111   return false;
3112 }
3113
3114 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
3115 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
3116 /// UnknownValue.
3117 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo ScalarEvolution::
3118 HowManyLessThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
3119                  const Loop *L, bool isSigned) {
3120   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
3121   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
3122
3123   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
3124   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
3125     return UnknownValue;
3126
3127   if (AddRec->isAffine()) {
3128     // FORNOW: We only support unit strides.
3129     unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(AddRec->getType());
3130     SCEVHandle Step = AddRec->getStepRecurrence(*this);
3131     SCEVHandle NegOne = getIntegerSCEV(-1, AddRec->getType());
3132
3133     // TODO: handle non-constant strides.
3134     const SCEVConstant *CStep = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
3135     if (!CStep || CStep->isZero())
3136       return UnknownValue;
3137     if (CStep->getValue()->getValue() == 1) {
3138       // With unit stride, the iteration never steps past the limit value.
3139     } else if (CStep->getValue()->getValue().isStrictlyPositive()) {
3140       if (const SCEVConstant *CLimit = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
3141         // Test whether a positive iteration iteration can step past the limit
3142         // value and past the maximum value for its type in a single step.
3143         if (isSigned) {
3144           APInt Max = APInt::getSignedMaxValue(BitWidth);
3145           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
3146                 .slt(CLimit->getValue()->getValue()))
3147             return UnknownValue;
3148         } else {
3149           APInt Max = APInt::getMaxValue(BitWidth);
3150           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
3151                 .ult(CLimit->getValue()->getValue()))
3152             return UnknownValue;
3153         }
3154       } else
3155         // TODO: handle non-constant limit values below.
3156         return UnknownValue;
3157     } else
3158       // TODO: handle negative strides below.
3159       return UnknownValue;
3160
3161     // We know the LHS is of the form {n,+,s} and the RHS is some loop-invariant
3162     // m.  So, we count the number of iterations in which {n,+,s} < m is true.
3163     // Note that we cannot simply return max(m-n,0)/s because it's not safe to
3164     // treat m-n as signed nor unsigned due to overflow possibility.
3165
3166     // First, we get the value of the LHS in the first iteration: n
3167     SCEVHandle Start = AddRec->getOperand(0);
3168
3169     // Determine the minimum constant start value.
3170     SCEVHandle MinStart = isa<SCEVConstant>(Start) ? Start :
3171       getConstant(isSigned ? APInt::getSignedMinValue(BitWidth) :
3172                              APInt::getMinValue(BitWidth));
3173
3174     // If we know that the condition is true in order to enter the loop,
3175     // then we know that it will run exactly (m-n)/s times. Otherwise, we
3176     // only know if will execute (max(m,n)-n)/s times. In both cases, the
3177     // division must round up.
3178     SCEVHandle End = RHS;
3179     if (!isLoopGuardedByCond(L,
3180                              isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
3181                              getMinusSCEV(Start, Step), RHS))
3182       End = isSigned ? getSMaxExpr(RHS, Start)
3183                      : getUMaxExpr(RHS, Start);
3184
3185     // Determine the maximum constant end value.
3186     SCEVHandle MaxEnd = isa<SCEVConstant>(End) ? End :
3187       getConstant(isSigned ? APInt::getSignedMaxValue(BitWidth) :
3188                              APInt::getMaxValue(BitWidth));
3189
3190     // Finally, we subtract these two values and divide, rounding up, to get
3191     // the number of times the backedge is executed.
3192     SCEVHandle BECount = getUDivExpr(getAddExpr(getMinusSCEV(End, Start),
3193                                                 getAddExpr(Step, NegOne)),
3194                                      Step);
3195
3196     // The maximum backedge count is similar, except using the minimum start
3197     // value and the maximum end value.
3198     SCEVHandle MaxBECount = getUDivExpr(getAddExpr(getMinusSCEV(MaxEnd,
3199                                                                 MinStart),
3200                                                    getAddExpr(Step, NegOne)),
3201                                         Step);
3202
3203     return BackedgeTakenInfo(BECount, MaxBECount);
3204   }
3205
3206   return UnknownValue;
3207 }
3208
3209 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
3210 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
3211 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
3212 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
3213 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
3214 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range,
3215                                                    ScalarEvolution &SE) const {
3216   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
3217     return SE.getCouldNotCompute();
3218
3219   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
3220   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
3221     if (!SC->getValue()->isZero()) {
3222       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
3223       Operands[0] = SE.getIntegerSCEV(0, SC->getType());
3224       SCEVHandle Shifted = SE.getAddRecExpr(Operands, getLoop());
3225       if (const SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec =
3226             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
3227         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
3228                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()), SE);
3229       // This is strange and shouldn't happen.
3230       return SE.getCouldNotCompute();
3231     }
3232
3233   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
3234   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
3235   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
3236     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
3237       return SE.getCouldNotCompute();
3238
3239
3240   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
3241   // that the start element is zero.
3242
3243   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
3244   // iteration exits.
3245   unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(getType());
3246   if (!Range.contains(APInt(BitWidth, 0)))
3247     return SE.getConstant(ConstantInt::get(getType(),0));
3248
3249   if (isAffine()) {
3250     // If this is an affine expression then we have this situation:
3251     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
3252
3253     // We know that zero is in the range.  If A is positive then we know that
3254     // the upper value of the range must be the first possible exit value.
3255     // If A is negative then the lower of the range is the last possible loop
3256     // value.  Also note that we already checked for a full range.
3257     APInt One(BitWidth,1);
3258     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
3259     APInt End = A.sge(One) ? (Range.getUpper() - One) : Range.getLower();
3260
3261     // The exit value should be (End+A)/A.
3262     APInt ExitVal = (End + A).udiv(A);
3263     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(ExitVal);
3264
3265     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
3266     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
3267     // things must have happened.
3268     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue, SE);
3269     if (Range.contains(Val->getValue()))
3270       return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3271
3272     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
3273     assert(Range.contains(
3274            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
3275            ConstantInt::get(ExitVal - One), SE)->getValue()) &&
3276            "Linear scev computation is off in a bad way!");
3277     return SE.getConstant(ExitValue);
3278   } else if (isQuadratic()) {
3279     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
3280     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
3281     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
3282     // Range.getUpper() is crossed.
3283     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
3284     NewOps[0] = SE.getNegativeSCEV(SE.getConstant(Range.getUpper()));
3285     SCEVHandle NewAddRec = SE.getAddRecExpr(NewOps, getLoop());
3286
3287     // Next, solve the constructed addrec
3288     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
3289       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec), SE);
3290     const SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
3291     const SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
3292     if (R1) {
3293       // Pick the smallest positive root value.
3294       if (ConstantInt *CB =
3295           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
3296                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
3297         if (CB->getZExtValue() == false)
3298           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
3299
3300         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
3301         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
3302         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
3303         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
3304                                                              R1->getValue(),
3305                                                              SE);
3306         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
3307           // The next iteration must be out of the range...
3308           ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()+1);
3309
3310           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
3311           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
3312             return SE.getConstant(NextVal);
3313           return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3314         }
3315
3316         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
3317         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
3318         ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()-1);
3319         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
3320         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
3321           return R1;
3322         return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3323       }
3324     }
3325   }
3326
3327   return SE.getCouldNotCompute();
3328 }
3329
3330
3331
3332 //===----------------------------------------------------------------------===//
3333 //                   SCEVCallbackVH Class Implementation
3334 //===----------------------------------------------------------------------===//
3335
3336 void SCEVCallbackVH::deleted() {
3337   assert(SE && "SCEVCallbackVH called with a non-null ScalarEvolution!");
3338   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(getValPtr()))
3339     SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3340   SE->Scalars.erase(getValPtr());
3341   // this now dangles!
3342 }
3343
3344 void SCEVCallbackVH::allUsesReplacedWith(Value *) {
3345   assert(SE && "SCEVCallbackVH called with a non-null ScalarEvolution!");
3346
3347   // Forget all the expressions associated with users of the old value,
3348   // so that future queries will recompute the expressions using the new
3349   // value.
3350   SmallVector<User *, 16> Worklist;
3351   Value *Old = getValPtr();
3352   bool DeleteOld = false;
3353   for (Value::use_iterator UI = Old->use_begin(), UE = Old->use_end();
3354        UI != UE; ++UI)
3355     Worklist.push_back(*UI);
3356   while (!Worklist.empty()) {
3357     User *U = Worklist.pop_back_val();
3358     // Deleting the Old value will cause this to dangle. Postpone
3359     // that until everything else is done.
3360     if (U == Old) {
3361       DeleteOld = true;
3362       continue;
3363     }
3364     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U))
3365       SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3366     if (SE->Scalars.erase(U))
3367       for (Value::use_iterator UI = U->use_begin(), UE = U->use_end();
3368            UI != UE; ++UI)
3369         Worklist.push_back(*UI);
3370   }
3371   if (DeleteOld) {
3372     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Old))
3373       SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3374     SE->Scalars.erase(Old);
3375     // this now dangles!
3376   }
3377   // this may dangle!
3378 }
3379
3380 SCEVCallbackVH::SCEVCallbackVH(Value *V, ScalarEvolution *se)
3381   : CallbackVH(V), SE(se) {}
3382
3383 //===----------------------------------------------------------------------===//
3384 //                   ScalarEvolution Class Implementation
3385 //===----------------------------------------------------------------------===//
3386
3387 ScalarEvolution::ScalarEvolution()
3388   : FunctionPass(&ID), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {
3389 }
3390
3391 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
3392   this->F = &F;
3393   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
3394   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
3395   return false;
3396 }
3397
3398 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
3399   Scalars.clear();
3400   BackedgeTakenCounts.clear();
3401   ConstantEvolutionLoopExitValue.clear();
3402 }
3403
3404 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
3405   AU.setPreservesAll();
3406   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
3407 }
3408
3409 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
3410   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getBackedgeTakenCount(L));
3411 }
3412
3413 static void PrintLoopInfo(raw_ostream &OS, ScalarEvolution *SE,
3414                           const Loop *L) {
3415   // Print all inner loops first
3416   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
3417     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
3418
3419   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
3420
3421   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
3422   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
3423   if (ExitBlocks.size() != 1)
3424     OS << "<multiple exits> ";
3425
3426   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L)) {
3427     OS << "backedge-taken count is " << *SE->getBackedgeTakenCount(L);
3428   } else {
3429     OS << "Unpredictable backedge-taken count. ";
3430   }
3431
3432   OS << "\n";
3433 }
3434
3435 void ScalarEvolution::print(raw_ostream &OS, const Module* ) const {
3436   // ScalarEvolution's implementaiton of the print method is to print
3437   // out SCEV values of all instructions that are interesting. Doing
3438   // this potentially causes it to create new SCEV objects though,
3439   // which technically conflicts with the const qualifier. This isn't
3440   // observable from outside the class though (the hasSCEV function
3441   // notwithstanding), so casting away the const isn't dangerous.
3442   ScalarEvolution &SE = *const_cast<ScalarEvolution*>(this);
3443
3444   OS << "Classifying expressions for: " << F->getName() << "\n";
3445   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
3446     if (isSCEVable(I->getType())) {
3447       OS << *I;
3448       OS << "  -->  ";
3449       SCEVHandle SV = SE.getSCEV(&*I);
3450       SV->print(OS);
3451       OS << "\t\t";
3452
3453       if (const Loop *L = LI->getLoopFor((*I).getParent())) {
3454         OS << "Exits: ";
3455         SCEVHandle ExitValue = SE.getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
3456         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
3457           OS << "<<Unknown>>";
3458         } else {
3459           OS << *ExitValue;
3460         }
3461       }
3462
3463
3464       OS << "\n";
3465     }
3466
3467   OS << "Determining loop execution counts for: " << F->getName() << "\n";
3468   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
3469     PrintLoopInfo(OS, &SE, *I);
3470 }
3471
3472 void ScalarEvolution::print(std::ostream &o, const Module *M) const {
3473   raw_os_ostream OS(o);
3474   print(OS, M);
3475 }