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