Fix an unequal bitwidth issue.
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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/LoopInfo.h"
70 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
71 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
72 #include "llvm/Support/CFG.h"
73 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
74 #include "llvm/Support/Compiler.h"
75 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
76 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
77 #include "llvm/Support/ManagedStatic.h"
78 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
79 #include "llvm/Support/Streams.h"
80 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
81 #include <ostream>
82 #include <algorithm>
83 #include <cmath>
84 using namespace llvm;
85
86 STATISTIC(NumBruteForceEvaluations,
87           "Number of brute force evaluations needed to "
88           "calculate high-order polynomial exit values");
89 STATISTIC(NumArrayLenItCounts,
90           "Number of trip counts computed with array length");
91 STATISTIC(NumTripCountsComputed,
92           "Number of loops with predictable loop counts");
93 STATISTIC(NumTripCountsNotComputed,
94           "Number of loops without predictable loop counts");
95 STATISTIC(NumBruteForceTripCountsComputed,
96           "Number of loops with trip counts computed by force");
97
98 cl::opt<unsigned>
99 MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
100                         cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will "
101                                  "symbolically execute a constant derived loop"),
102                         cl::init(100));
103
104 namespace {
105   RegisterPass<ScalarEvolution>
106   R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis");
107 }
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(cerr);
119 }
120
121 /// getValueRange - Return the tightest constant bounds that this value is
122 /// known to have.  This method is only valid on integer SCEV objects.
123 ConstantRange SCEV::getValueRange() const {
124   const Type *Ty = getType();
125   assert(Ty->isInteger() && "Can't get range for a non-integer SCEV!");
126   // Default to a full range if no better information is available.
127   return ConstantRange(getBitWidth());
128 }
129
130 uint32_t SCEV::getBitWidth() const {
131   if (const IntegerType* ITy = dyn_cast<IntegerType>(getType()))
132     return ITy->getBitWidth();
133   return 0;
134 }
135
136
137 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
138
139 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
140   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
141   return false;
142 }
143
144 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
145   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
146   return 0;
147 }
148
149 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
150   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
151   return false;
152 }
153
154 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
155 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
156                                   const SCEVHandle &Conc) const {
157   return this;
158 }
159
160 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
161   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
162 }
163
164 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
165   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
166 }
167
168
169 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
170 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
171 // never be deleted!
172 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
173
174
175 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
176   SCEVConstants->erase(V);
177 }
178
179 SCEVHandle SCEVConstant::get(ConstantInt *V) {
180   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
181   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
182   return R;
183 }
184
185 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
186   return ConstantRange(V->getValue());
187 }
188
189 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
190
191 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
192   WriteAsOperand(OS, V, false);
193 }
194
195 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
196 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
197 // never be deleted!
198 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, 
199                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
200
201 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
202   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
203   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
204          "Cannot truncate non-integer value!");
205   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits()
206          && "This is not a truncating conversion!");
207 }
208
209 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
210   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
211 }
212
213 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
214   return getOperand()->getValueRange().truncate(getBitWidth());
215 }
216
217 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
218   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
219 }
220
221 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
222 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
223 // be deleted!
224 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
225                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
226
227 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
228   : SCEV(scZeroExtend), Op(op), Ty(ty) {
229   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
230          "Cannot zero extend non-integer value!");
231   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
232          && "This is not an extending conversion!");
233 }
234
235 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
236   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
237 }
238
239 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
240   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getBitWidth());
241 }
242
243 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
244   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
245 }
246
247 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
248 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
249 // be deleted!
250 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
251                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
252
253 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
254   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(),
255                                       std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
256                                                          Operands.end())));
257 }
258
259 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
260   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
261   const char *OpStr = getOperationStr();
262   OS << "(" << *Operands[0];
263   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
264     OS << OpStr << *Operands[i];
265   OS << ")";
266 }
267
268 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
269 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
270                                   const SCEVHandle &Conc) const {
271   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
272     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
273     if (H != getOperand(i)) {
274       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
275       NewOps.reserve(getNumOperands());
276       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
277         NewOps.push_back(getOperand(j));
278       NewOps.push_back(H);
279       for (++i; i != e; ++i)
280         NewOps.push_back(getOperand(i)->
281                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
282
283       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
284         return SCEVAddExpr::get(NewOps);
285       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
286         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
287       else
288         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
289     }
290   }
291   return this;
292 }
293
294
295 // SCEVSDivs - Only allow the creation of one SCEVSDivExpr for any particular
296 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
297 // deleted!
298 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, 
299                      SCEVSDivExpr*> > SCEVSDivs;
300
301 SCEVSDivExpr::~SCEVSDivExpr() {
302   SCEVSDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
303 }
304
305 void SCEVSDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
306   OS << "(" << *LHS << " /s " << *RHS << ")";
307 }
308
309 const Type *SCEVSDivExpr::getType() const {
310   return LHS->getType();
311 }
312
313 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
314 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
315 // be deleted!
316 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
317                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
318
319 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
320   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L,
321                                         std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
322                                                            Operands.end())));
323 }
324
325 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
326 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
327                                   const SCEVHandle &Conc) const {
328   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
329     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
330     if (H != getOperand(i)) {
331       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
332       NewOps.reserve(getNumOperands());
333       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
334         NewOps.push_back(getOperand(j));
335       NewOps.push_back(H);
336       for (++i; i != e; ++i)
337         NewOps.push_back(getOperand(i)->
338                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
339
340       return get(NewOps, L);
341     }
342   }
343   return this;
344 }
345
346
347 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
348   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
349   // contain L and if the start is invariant.
350   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
351          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
352 }
353
354
355 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
356   OS << "{" << *Operands[0];
357   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
358     OS << ",+," << *Operands[i];
359   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
360 }
361
362 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
363 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
364 // deleted!
365 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
366
367 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
368
369 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
370   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
371   // invariant if they are not contained in the specified loop.
372   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
373     return !L->contains(I->getParent());
374   return true;
375 }
376
377 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
378   return V->getType();
379 }
380
381 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
382   WriteAsOperand(OS, V, false);
383 }
384
385 //===----------------------------------------------------------------------===//
386 //                               SCEV Utilities
387 //===----------------------------------------------------------------------===//
388
389 namespace {
390   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
391   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
392   /// expressions.
393   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
394     bool operator()(SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
395       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
396     }
397   };
398 }
399
400 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
401 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
402 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
403 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
404 ///
405 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
406 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
407 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
408 /// land in memory.
409 ///
410 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
411   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
412   if (Ops.size() == 2) {
413     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
414     // Special case it.
415     if (Ops[0]->getSCEVType() > Ops[1]->getSCEVType())
416       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
417     return;
418   }
419
420   // Do the rough sort by complexity.
421   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
422
423   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
424   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
425   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
426   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
427   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
428     SCEV *S = Ops[i];
429     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
430
431     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
432     // one, group them.
433     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
434       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
435         // Move it to immediately after i'th element.
436         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
437         ++i;   // no need to rescan it.
438         if (i == e-2) return;  // Done!
439       }
440     }
441   }
442 }
443
444
445
446 //===----------------------------------------------------------------------===//
447 //                      Simple SCEV method implementations
448 //===----------------------------------------------------------------------===//
449
450 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
451 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
452 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
453   Constant *C;
454   if (Val == 0)
455     C = Constant::getNullValue(Ty);
456   else if (Ty->isFloatingPoint())
457     C = ConstantFP::get(Ty, Val);
458   else 
459     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
460   return SCEVUnknown::get(C);
461 }
462
463 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(const APInt& Val) {
464   return SCEVUnknown::get(ConstantInt::get(Val));
465 }
466
467 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
468 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
469 /// extended.
470 static SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty) {
471   const Type *SrcTy = V->getType();
472   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
473          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
474   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() == Ty->getPrimitiveSizeInBits())
475     return V;  // No conversion
476   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits())
477     return SCEVTruncateExpr::get(V, Ty);
478   return SCEVZeroExtendExpr::get(V, Ty);
479 }
480
481 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
482 ///
483 SCEVHandle SCEV::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
484   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
485     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
486
487   return SCEVMulExpr::get(V, SCEVUnknown::getIntegerSCEV(-1, V->getType()));
488 }
489
490 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
491 ///
492 SCEVHandle SCEV::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
493   // X - Y --> X + -Y
494   return SCEVAddExpr::get(LHS, SCEV::getNegativeSCEV(RHS));
495 }
496
497
498 /// PartialFact - Compute V!/(V-NumSteps)!
499 static SCEVHandle PartialFact(SCEVHandle V, unsigned NumSteps) {
500   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
501   // counts while computing loop exit values.
502   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
503     APInt Val = SC->getValue()->getValue();
504     APInt Result(Val.getBitWidth(), 1);
505     for (; NumSteps; --NumSteps)
506       Result *= Val-(NumSteps-1);
507     return SCEVUnknown::get(ConstantInt::get(Result));
508   }
509
510   const Type *Ty = V->getType();
511   if (NumSteps == 0)
512     return SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
513
514   SCEVHandle Result = V;
515   for (unsigned i = 1; i != NumSteps; ++i)
516     Result = SCEVMulExpr::get(Result, SCEV::getMinusSCEV(V,
517                                           SCEVUnknown::getIntegerSCEV(i, Ty)));
518   return Result;
519 }
520
521
522 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
523 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
524 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
525 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
526 ///
527 ///   A*choose(It, 0) + B*choose(It, 1) + C*choose(It, 2) + D*choose(It, 3)
528 ///
529 /// FIXME/VERIFY: I don't trust that this is correct in the face of overflow.
530 /// Is the binomial equation safe using modular arithmetic??
531 ///
532 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It) const {
533   SCEVHandle Result = getStart();
534   int Divisor = 1;
535   const Type *Ty = It->getType();
536   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
537     SCEVHandle BC = PartialFact(It, i);
538     Divisor *= i;
539     SCEVHandle Val = SCEVSDivExpr::get(SCEVMulExpr::get(BC, getOperand(i)),
540                                        SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Divisor,Ty));
541     Result = SCEVAddExpr::get(Result, Val);
542   }
543   return Result;
544 }
545
546
547 //===----------------------------------------------------------------------===//
548 //                    SCEV Expression folder implementations
549 //===----------------------------------------------------------------------===//
550
551 SCEVHandle SCEVTruncateExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
552   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
553     return SCEVUnknown::get(
554         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
555
556   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
557   // all of the constants.
558   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
559     std::vector<SCEVHandle> Operands;
560     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
561       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
562       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
563         Operands.push_back(get(AddRec->getOperand(i), Ty));
564       else
565         break;
566     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
567       return SCEVAddRecExpr::get(Operands, AddRec->getLoop());
568   }
569
570   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
571   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
572   return Result;
573 }
574
575 SCEVHandle SCEVZeroExtendExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
576   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
577     return SCEVUnknown::get(
578         ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), Ty));
579
580   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
581   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
582   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
583   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
584
585   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
586   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
587   return Result;
588 }
589
590 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
591 SCEVHandle SCEVAddExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
592   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
593   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
594
595   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
596   GroupByComplexity(Ops);
597
598   // If there are any constants, fold them together.
599   unsigned Idx = 0;
600   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
601     ++Idx;
602     assert(Idx < Ops.size());
603     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
604       // We found two constants, fold them together!
605       Constant *Fold = ConstantExpr::getAdd(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
606       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
607         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
608         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
609         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
610         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
611       } else {
612         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
613         // that this is impossible to happen in practice because we always
614         // constant fold constant ints to constant ints.
615         ++Idx;
616       }
617     }
618
619     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
620     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
621       Ops.erase(Ops.begin());
622       --Idx;
623     }
624   }
625
626   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
627
628   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
629   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
630   // list, these values are required to be adjacent.
631   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
632   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
633     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
634       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
635       // remaining values to the result.
636       SCEVHandle Two = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(2, Ty);
637       SCEVHandle Mul = SCEVMulExpr::get(Ops[i], Two);
638       if (Ops.size() == 2)
639         return Mul;
640       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
641       Ops.push_back(Mul);
642       return SCEVAddExpr::get(Ops);
643     }
644
645   // Okay, now we know the first non-constant operand.  If there are add
646   // operands they would be next.
647   if (Idx < Ops.size()) {
648     bool DeletedAdd = false;
649     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
650       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
651       // list.
652       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
653       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
654       DeletedAdd = true;
655     }
656
657     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
658     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
659     // any operands we just aquired.
660     if (DeletedAdd)
661       return get(Ops);
662   }
663
664   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
665   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
666     ++Idx;
667
668   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
669   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
670   // the multiply.
671   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
672     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
673     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
674       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
675       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
676         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
677           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
678           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
679           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
680             // If the multiply has more than two operands, we must get the
681             // Y*Z term.
682             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
683             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
684             InnerMul = SCEVMulExpr::get(MulOps);
685           }
686           SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
687           SCEVHandle AddOne = SCEVAddExpr::get(InnerMul, One);
688           SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(AddOne, Ops[AddOp]);
689           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
690           if (AddOp < Idx) {
691             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
692             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
693           } else {
694             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
695             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
696           }
697           Ops.push_back(OuterMul);
698           return SCEVAddExpr::get(Ops);
699         }
700
701       // Check this multiply against other multiplies being added together.
702       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
703            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
704            ++OtherMulIdx) {
705         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
706         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
707         // together.
708         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
709              OMulOp != e; ++OMulOp)
710           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
711             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
712             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
713             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
714               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
715               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
716               InnerMul1 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
717             }
718             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
719             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
720               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
721                                              OtherMul->op_end());
722               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
723               InnerMul2 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
724             }
725             SCEVHandle InnerMulSum = SCEVAddExpr::get(InnerMul1,InnerMul2);
726             SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(MulOpSCEV, InnerMulSum);
727             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
728             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
729             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
730             Ops.push_back(OuterMul);
731             return SCEVAddExpr::get(Ops);
732           }
733       }
734     }
735   }
736
737   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
738   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
739   // recurrence.
740   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
741     ++Idx;
742
743   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
744   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
745     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
746     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
747     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
748     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
749     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
750       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
751         LIOps.push_back(Ops[i]);
752         Ops.erase(Ops.begin()+i);
753         --i; --e;
754       }
755
756     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
757     if (!LIOps.empty()) {
758       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
759       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
760
761       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
762       AddRecOps[0] = SCEVAddExpr::get(LIOps);
763
764       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(AddRecOps, AddRec->getLoop());
765       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
766       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
767
768       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
769       for (unsigned i = 0;; ++i)
770         if (Ops[i] == AddRec) {
771           Ops[i] = NewRec;
772           break;
773         }
774       return SCEVAddExpr::get(Ops);
775     }
776
777     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
778     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
779     // added together.  If so, we can fold them.
780     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
781          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
782       if (OtherIdx != Idx) {
783         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
784         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
785           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
786           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
787           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
788             if (i >= NewOps.size()) {
789               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
790                             OtherAddRec->op_end());
791               break;
792             }
793             NewOps[i] = SCEVAddExpr::get(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
794           }
795           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
796
797           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
798
799           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
800           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
801           Ops.push_back(NewAddRec);
802           return SCEVAddExpr::get(Ops);
803         }
804       }
805
806     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
807     // next one.
808   }
809
810   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
811   // already have one, otherwise create a new one.
812   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
813   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
814                                                                  SCEVOps)];
815   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
816   return Result;
817 }
818
819
820 SCEVHandle SCEVMulExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
821   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
822
823   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
824   GroupByComplexity(Ops);
825
826   // If there are any constants, fold them together.
827   unsigned Idx = 0;
828   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
829
830     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
831     if (Ops.size() == 2)
832       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
833         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
834             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
835           return SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(0)),
836                                   SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(1)));
837
838
839     ++Idx;
840     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
841       // We found two constants, fold them together!
842       Constant *Fold = ConstantExpr::getMul(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
843       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
844         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
845         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
846         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
847         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
848       } else {
849         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
850         // that this is impossible to happen in practice because we always
851         // constant fold constant ints to constant ints.
852         ++Idx;
853       }
854     }
855
856     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
857     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
858       Ops.erase(Ops.begin());
859       --Idx;
860     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
861       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
862       return Ops[0];
863     }
864   }
865
866   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
867   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
868     ++Idx;
869
870   if (Ops.size() == 1)
871     return Ops[0];
872
873   // If there are mul operands inline them all into this expression.
874   if (Idx < Ops.size()) {
875     bool DeletedMul = false;
876     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
877       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
878       // list.
879       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
880       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
881       DeletedMul = true;
882     }
883
884     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
885     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
886     // any operands we just aquired.
887     if (DeletedMul)
888       return get(Ops);
889   }
890
891   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
892   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
893   // recurrence.
894   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
895     ++Idx;
896
897   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
898   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
899     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
900     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
901     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
902     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
903     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
904       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
905         LIOps.push_back(Ops[i]);
906         Ops.erase(Ops.begin()+i);
907         --i; --e;
908       }
909
910     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
911     if (!LIOps.empty()) {
912       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
913       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
914       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
915       if (LIOps.size() == 1) {
916         SCEV *Scale = LIOps[0];
917         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
918           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(Scale, AddRec->getOperand(i)));
919       } else {
920         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
921           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
922           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
923           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(MulOps));
924         }
925       }
926
927       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
928
929       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
930       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
931
932       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
933       for (unsigned i = 0;; ++i)
934         if (Ops[i] == AddRec) {
935           Ops[i] = NewRec;
936           break;
937         }
938       return SCEVMulExpr::get(Ops);
939     }
940
941     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
942     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
943     // multiplied together.  If so, we can fold them.
944     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
945          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
946       if (OtherIdx != Idx) {
947         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
948         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
949           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
950           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
951           SCEVHandle NewStart = SCEVMulExpr::get(F->getStart(),
952                                                  G->getStart());
953           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence();
954           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence();
955           SCEVHandle NewStep = SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(F, D),
956                                                 SCEVMulExpr::get(G, B),
957                                                 SCEVMulExpr::get(B, D));
958           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewStart, NewStep,
959                                                      F->getLoop());
960           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
961
962           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
963           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
964           Ops.push_back(NewAddRec);
965           return SCEVMulExpr::get(Ops);
966         }
967       }
968
969     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
970     // next one.
971   }
972
973   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
974   // already have one, otherwise create a new one.
975   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
976   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
977                                                                  SCEVOps)];
978   if (Result == 0)
979     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
980   return Result;
981 }
982
983 SCEVHandle SCEVSDivExpr::get(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
984   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
985     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
986       return LHS;                            // X sdiv 1 --> x
987     if (RHSC->getValue()->isAllOnesValue())
988       return SCEV::getNegativeSCEV(LHS);           // X sdiv -1  -->  -x
989
990     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
991       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
992       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
993       return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getSDiv(LHSCV, RHSCV));
994     }
995   }
996
997   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
998
999   SCEVSDivExpr *&Result = (*SCEVSDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
1000   if (Result == 0) Result = new SCEVSDivExpr(LHS, RHS);
1001   return Result;
1002 }
1003
1004
1005 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1006 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1007 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(const SCEVHandle &Start,
1008                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1009   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1010   Operands.push_back(Start);
1011   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1012     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1013       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1014                       StepChrec->op_end());
1015       return get(Operands, L);
1016     }
1017
1018   Operands.push_back(Step);
1019   return get(Operands, L);
1020 }
1021
1022 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1023 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1024 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1025                                const Loop *L) {
1026   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1027
1028   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
1029     if (StepC->getValue()->isZero()) {
1030       Operands.pop_back();
1031       return get(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
1032     }
1033
1034   SCEVAddRecExpr *&Result =
1035     (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1036                                                             Operands.end()))];
1037   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1038   return Result;
1039 }
1040
1041 SCEVHandle SCEVUnknown::get(Value *V) {
1042   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1043     return SCEVConstant::get(CI);
1044   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1045   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1046   return Result;
1047 }
1048
1049
1050 //===----------------------------------------------------------------------===//
1051 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1052 //===----------------------------------------------------------------------===//
1053 //
1054 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1055 /// evolution code.
1056 ///
1057 namespace {
1058   struct VISIBILITY_HIDDEN ScalarEvolutionsImpl {
1059     /// F - The function we are analyzing.
1060     ///
1061     Function &F;
1062
1063     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1064     ///
1065     LoopInfo &LI;
1066
1067     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1068     /// things.
1069     SCEVHandle UnknownValue;
1070
1071     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1072     ///
1073     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1074
1075     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1076     /// function as they are computed.
1077     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1078
1079     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1080     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1081     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1082     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1083     /// exit value.
1084     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1085
1086   public:
1087     ScalarEvolutionsImpl(Function &f, LoopInfo &li)
1088       : F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1089
1090     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1091     /// expression and create a new one.
1092     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1093
1094     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1095     /// computed.
1096     bool hasSCEV(Value *V) const {
1097       return Scalars.count(V);
1098     }
1099
1100     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
1101     /// the specified value.
1102     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
1103       bool isNew = Scalars.insert(std::make_pair(V, H)).second;
1104       assert(isNew && "This entry already existed!");
1105     }
1106
1107
1108     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1109     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1110     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1111     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1112
1113
1114     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1115     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1116     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1117
1118     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1119     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1120     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1121     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1122
1123     /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1124     /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1125     /// that no dangling references are left around.
1126     void deleteInstructionFromRecords(Instruction *I);
1127
1128   private:
1129     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1130     /// Analyze the expression.
1131     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1132
1133     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1134     /// SCEVs.
1135     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1136
1137     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
1138     /// for the specified instruction and replaces any references to the
1139     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
1140     /// PHI resolution.
1141     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
1142                                           const SCEVHandle &SymName,
1143                                           const SCEVHandle &NewVal);
1144
1145     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1146     /// will iterate.
1147     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1148
1149     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1150     /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1151     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1152                                                         Constant *RHS,
1153                                                         const Loop *L,
1154                                                         ICmpInst::Predicate p);
1155
1156     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1157     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1158     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1159     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1160     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1161     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1162                                                  bool ExitWhen);
1163
1164     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1165     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1166     /// UnknownValue.
1167     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1168
1169     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1170     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1171     /// UnknownValue.
1172     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1173
1174     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
1175     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
1176     /// UnknownValue.
1177     SCEVHandle HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L);
1178
1179     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1180     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1181     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1182     /// involving constants, fold it.
1183     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its,
1184                                                 const Loop *L);
1185   };
1186 }
1187
1188 //===----------------------------------------------------------------------===//
1189 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1190 //
1191
1192 /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1193 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1194 /// that no dangling references are left around.
1195 void ScalarEvolutionsImpl::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) {
1196   Scalars.erase(I);
1197   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1198     ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1199 }
1200
1201
1202 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1203 /// expression and create a new one.
1204 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1205   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1206
1207   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1208   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1209   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1210   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1211   return S;
1212 }
1213
1214 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1215 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1216 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1217 void ScalarEvolutionsImpl::
1218 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1219                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1220   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1221   if (SI == Scalars.end()) return;
1222
1223   SCEVHandle NV =
1224     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal);
1225   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1226
1227   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1228
1229   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1230   // updated!
1231   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1232        UI != E; ++UI)
1233     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1234 }
1235
1236 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1237 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1238 ///
1239 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1240   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1241     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1242       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1243         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1244         // from outside the loop, and one from inside.
1245         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1246         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1247
1248         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1249         SCEVHandle SymbolicName = SCEVUnknown::get(PN);
1250         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1251                "PHI node already processed?");
1252         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1253
1254         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1255         // the back-edge.
1256         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1257
1258         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1259         // has a special value for the first iteration of the loop.
1260
1261         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1262         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1263         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1264           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1265           // with a recurrence.
1266           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1267           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1268             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1269               if (FoundIndex == e) {
1270                 FoundIndex = i;
1271                 break;
1272               }
1273
1274           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1275             // Create an add with everything but the specified operand.
1276             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1277             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1278               if (i != FoundIndex)
1279                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1280             SCEVHandle Accum = SCEVAddExpr::get(Ops);
1281
1282             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1283             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1284             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1285                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1286                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1287               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1288               SCEVHandle PHISCEV  = SCEVAddRecExpr::get(StartVal, Accum, L);
1289
1290               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1291               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1292               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1293               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1294               // value.
1295               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1296               return PHISCEV;
1297             }
1298           }
1299         } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1300           // Otherwise, this could be a loop like this:
1301           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1302           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1303           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1304           // i really is an addrec evolution.
1305           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1306             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1307
1308             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1309             // initial step of the addrec evolution.
1310             if (StartVal == SCEV::getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1311                                                AddRec->getOperand(1))) {
1312               SCEVHandle PHISCEV = 
1313                  SCEVAddRecExpr::get(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1314
1315               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1316               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1317               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1318               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1319               // value.
1320               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1321               return PHISCEV;
1322             }
1323           }
1324         }
1325
1326         return SymbolicName;
1327       }
1328
1329   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1330   return SCEVUnknown::get(PN);
1331 }
1332
1333 /// GetConstantFactor - Determine the largest constant factor that S has.  For
1334 /// example, turn {4,+,8} -> 4.    (S umod result) should always equal zero.
1335 static APInt GetConstantFactor(SCEVHandle S) {
1336   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
1337     APInt V = C->getValue()->getValue();
1338     if (!V.isMinValue())
1339       return V;
1340     else   // Zero is a multiple of everything.
1341       return APInt(C->getBitWidth(), 1).shl(C->getBitWidth()-1);
1342   }
1343
1344   if (SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S)) {
1345     APInt Mask(cast<IntegerType>(T->getType())->getMask());
1346     APInt GCF(GetConstantFactor(T->getOperand()));
1347     Mask.zextOrTrunc(GCF.getBitWidth());
1348     return GCF & Mask;
1349   }
1350   if (SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S))
1351     return GetConstantFactor(E->getOperand());
1352   
1353   if (SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1354     // The result is the min of all operands.
1355     APInt Res = GetConstantFactor(A->getOperand(0));
1356     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); 
1357          i != e && Res.ugt(APInt(Res.getBitWidth(),1)); ++i)
1358       Res = APIntOps::umin(Res, GetConstantFactor(A->getOperand(i)));
1359     return Res;
1360   }
1361
1362   if (SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1363     // The result is the product of all the operands.
1364     APInt Res = GetConstantFactor(M->getOperand(0));
1365     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); i != e; ++i)
1366       Res *= GetConstantFactor(M->getOperand(i));
1367     return Res;
1368   }
1369     
1370   if (SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1371     // For now, we just handle linear expressions.
1372     if (A->getNumOperands() == 2) {
1373       // We want the GCD between the start and the stride value.
1374       APInt Start = GetConstantFactor(A->getOperand(0));
1375       if (Start == 1) 
1376         return APInt(A->getBitWidth(),1);
1377       APInt Stride = GetConstantFactor(A->getOperand(1));
1378       return APIntOps::GreatestCommonDivisor(Start, Stride);
1379     }
1380   }
1381   
1382   // SCEVSDivExpr, SCEVUnknown.
1383   return APInt(S->getBitWidth(), 1);
1384 }
1385
1386 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1387 /// Analyze the expression.
1388 ///
1389 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1390   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1391     switch (I->getOpcode()) {
1392     case Instruction::Add:
1393       return SCEVAddExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1394                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1395     case Instruction::Mul:
1396       return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1397                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1398     case Instruction::SDiv:
1399       return SCEVSDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1400                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1401       break;
1402
1403     case Instruction::Sub:
1404       return SCEV::getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)),
1405                                 getSCEV(I->getOperand(1)));
1406     case Instruction::Or:
1407       // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1408       // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an add so loop
1409       // optimizations will transparently handle this case.
1410       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1411         SCEVHandle LHS = getSCEV(I->getOperand(0));
1412         APInt CommonFact = GetConstantFactor(LHS);
1413         assert(!CommonFact.isMinValue() &&
1414                "Common factor should at least be 1!");
1415         CommonFact.zextOrTrunc(CI->getValue().getBitWidth());
1416         if (CommonFact.ugt(CI->getValue())) {
1417           // If the LHS is a multiple that is larger than the RHS, use +.
1418           return SCEVAddExpr::get(LHS,
1419                                   getSCEV(I->getOperand(1)));
1420         }
1421       }
1422       break;
1423       
1424     case Instruction::Shl:
1425       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1426       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1427         Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1428         X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1429         return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1430       }
1431       break;
1432
1433     case Instruction::Trunc:
1434       return SCEVTruncateExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1435
1436     case Instruction::ZExt:
1437       return SCEVZeroExtendExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1438
1439     case Instruction::BitCast:
1440       // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1441       if (I->getType()->isInteger() &&
1442           I->getOperand(0)->getType()->isInteger())
1443         return getSCEV(I->getOperand(0));
1444       break;
1445
1446     case Instruction::PHI:
1447       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
1448
1449     default: // We cannot analyze this expression.
1450       break;
1451     }
1452   }
1453
1454   return SCEVUnknown::get(V);
1455 }
1456
1457
1458
1459 //===----------------------------------------------------------------------===//
1460 //                   Iteration Count Computation Code
1461 //
1462
1463 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1464 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1465 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1466 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1467   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1468   if (I == IterationCounts.end()) {
1469     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1470     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1471     if (ItCount != UnknownValue) {
1472       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1473              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1474       ++NumTripCountsComputed;
1475     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1476       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1477       ++NumTripCountsNotComputed;
1478     }
1479   }
1480   return I->second;
1481 }
1482
1483 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1484 /// will iterate.
1485 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1486   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1487   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
1488   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1489   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1490
1491   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1492   // loop to be exited.
1493   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1494
1495   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1496   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1497        PI != E; ++PI)
1498     if (L->contains(*PI)) {
1499       if (ExitingBlock == 0)
1500         ExitingBlock = *PI;
1501       else
1502         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1503     }
1504   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1505
1506   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1507   // exit.
1508   //
1509   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1510   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1511   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1512   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1513   
1514   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
1515   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
1516   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
1517   // not be equal to the trip count of the loop.
1518   //
1519   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
1520   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
1521   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
1522   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
1523   // could be done to handle more cases here.
1524   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
1525       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
1526       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
1527     return UnknownValue;
1528   
1529   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
1530
1531   // If its not an integer comparison then compute it the hard way. 
1532   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
1533   // the type of the operand.
1534   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
1535     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1536                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1537
1538   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
1539   ICmpInst::Predicate Cond;
1540   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1541     Cond = ExitCond->getPredicate();
1542   else
1543     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
1544
1545   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1546   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1547     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1548       SCEVHandle ItCnt =
1549         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1550       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1551     }
1552
1553   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1554   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1555
1556   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1557   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1558   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1559   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1560   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1561
1562   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
1563   // loop the predicate will return true for these inputs.
1564   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1565     // If there is a constant, force it into the RHS.
1566     std::swap(LHS, RHS);
1567     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
1568   }
1569
1570   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1571   // while (P != P+100) ++P;
1572
1573   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1574   // ranges to answer this query.
1575   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1576     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1577       if (AddRec->getLoop() == L) {
1578         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1579         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1580         // comparison.
1581         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1582         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1583         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
1584           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
1585         if (CompVal) {
1586           // Form the constant range.
1587           ConstantRange CompRange(
1588               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
1589
1590           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, 
1591               false /*Always treat as unsigned range*/);
1592           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1593         }
1594       }
1595
1596   switch (Cond) {
1597   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
1598     // Convert to: while (X-Y != 0)
1599     SCEVHandle TC = HowFarToZero(SCEV::getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1600     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1601     break;
1602   }
1603   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
1604     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1605     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(SCEV::getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1606     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1607     break;
1608   }
1609   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
1610     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L);
1611     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1612     break;
1613   }
1614   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
1615     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(RHS, LHS, L);
1616     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1617     break;
1618   }
1619   default:
1620 #if 0
1621     cerr << "ComputeIterationCount ";
1622     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1623       cerr << "[unsigned] ";
1624     cerr << *LHS << "   "
1625          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
1626          << "   " << *RHS << "\n";
1627 #endif
1628     break;
1629   }
1630   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
1631                                        ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1632 }
1633
1634 static ConstantInt *
1635 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, Constant *C) {
1636   SCEVHandle InVal = SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(C));
1637   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal);
1638   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
1639          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
1640   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
1641 }
1642
1643 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
1644 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
1645 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
1646 /// invalid.
1647 static Constant *
1648 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
1649                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
1650   Constant *Init = GV->getInitializer();
1651   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
1652     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
1653     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
1654       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
1655       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
1656     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
1657       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
1658       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
1659     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
1660       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
1661         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
1662         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
1663       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
1664         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
1665         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
1666       } else {
1667         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
1668       }
1669       return 0;
1670     } else {
1671       return 0; // Unknown initializer type
1672     }
1673   }
1674   return Init;
1675 }
1676
1677 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1678 /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1679 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1680 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
1681                                          const Loop *L, 
1682                                          ICmpInst::Predicate predicate) {
1683   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
1684
1685   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
1686   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
1687   if (!GEP) return UnknownValue;
1688
1689   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
1690   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
1691   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
1692   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
1693       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
1694       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
1695     return UnknownValue;
1696
1697   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
1698   Value *VarIdx = 0;
1699   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
1700   unsigned VarIdxNum = 0;
1701   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
1702     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1703       Indexes.push_back(CI);
1704     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1705       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
1706       VarIdx = GEP->getOperand(i);
1707       VarIdxNum = i-2;
1708       Indexes.push_back(0);
1709     }
1710
1711   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
1712   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
1713   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
1714   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
1715   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
1716
1717   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
1718   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
1719   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
1720   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
1721       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
1722       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
1723     return UnknownValue;
1724
1725   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
1726   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
1727     ConstantInt *ItCst =
1728       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
1729     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst);
1730
1731     // Form the GEP offset.
1732     Indexes[VarIdxNum] = Val;
1733
1734     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
1735     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
1736
1737     // Evaluate the condition for this iteration.
1738     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
1739     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
1740     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
1741 #if 0
1742       cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
1743            << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
1744            << "***\n";
1745 #endif
1746       ++NumArrayLenItCounts;
1747       return SCEVConstant::get(ItCst);   // Found terminating iteration!
1748     }
1749   }
1750   return UnknownValue;
1751 }
1752
1753
1754 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
1755 /// specified type, assuming that all operands were constants.
1756 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
1757   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
1758       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
1759     return true;
1760
1761   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
1762     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
1763       return canConstantFoldCallTo((Function*)F);  // FIXME: elim cast
1764   return false;
1765 }
1766
1767 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
1768 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
1769 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
1770 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
1771 /// constraints, return null.
1772 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
1773   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
1774   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
1775   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1776   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
1777
1778   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1779     if (L->getHeader() == I->getParent())
1780       return PN;
1781     else
1782       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
1783       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
1784       return 0;
1785
1786   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
1787   // are constants, return early.
1788   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
1789
1790   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
1791   // constant or derived from a PHI node themselves.
1792   PHINode *PHI = 0;
1793   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
1794     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
1795           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
1796       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
1797       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
1798       if (PHI == 0)
1799         PHI = P;
1800       else if (PHI != P)
1801         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
1802     }
1803
1804   // This is a expression evolving from a constant PHI!
1805   return PHI;
1806 }
1807
1808 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
1809 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
1810 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
1811 /// reason, return null.
1812 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
1813   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
1814   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V))
1815     return GV;
1816   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
1817   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1818
1819   std::vector<Constant*> Operands;
1820   Operands.resize(I->getNumOperands());
1821
1822   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1823     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
1824     if (Operands[i] == 0) return 0;
1825   }
1826
1827   return ConstantFoldInstOperands(I, &Operands[0], Operands.size());
1828 }
1829
1830 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1831 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1832 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1833 /// involving constants, fold it.
1834 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
1835 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its, const Loop *L){
1836   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
1837     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
1838   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
1839     return I->second;
1840
1841   if (Its.ugt(APInt(Its.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
1842     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
1843
1844   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
1845
1846   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1847   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1848   // second must be derived from the same PHI.
1849   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1850   Constant *StartCST =
1851     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1852   if (StartCST == 0)
1853     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
1854
1855   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1856   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1857   if (PN2 != PN)
1858     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
1859
1860   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
1861   if (Its.getActiveBits() >= 32)
1862     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
1863
1864   unsigned NumIterations = Its.getZExtValue(); // must be in range
1865   unsigned IterationNum = 0;
1866   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
1867     if (IterationNum == NumIterations)
1868       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
1869
1870     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1871     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1872     if (NextPHI == PHIVal)
1873       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
1874     if (NextPHI == 0)
1875       return 0;        // Couldn't evaluate!
1876     PHIVal = NextPHI;
1877   }
1878 }
1879
1880 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1881 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1882 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1883 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1884 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1885 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1886 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
1887   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
1888   if (PN == 0) return UnknownValue;
1889
1890   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1891   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1892   // second must be derived from the same PHI.
1893   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1894   Constant *StartCST =
1895     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1896   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
1897
1898   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1899   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1900   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
1901
1902   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
1903   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
1904   // "ExitWhen".
1905   unsigned IterationNum = 0;
1906   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
1907   for (Constant *PHIVal = StartCST;
1908        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
1909     ConstantInt *CondVal =
1910       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
1911
1912     // Couldn't symbolically evaluate.
1913     if (!CondVal) return UnknownValue;
1914
1915     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
1916       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
1917       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
1918       return SCEVConstant::get(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
1919     }
1920
1921     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1922     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1923     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
1924       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
1925     PHIVal = NextPHI;
1926   }
1927
1928   // Too many iterations were needed to evaluate.
1929   return UnknownValue;
1930 }
1931
1932 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
1933 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1934 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
1935 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
1936   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
1937
1938   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
1939
1940   // If this instruction is evolves from a constant-evolving PHI, compute the
1941   // exit value from the loop without using SCEVs.
1942   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
1943     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
1944       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
1945       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
1946         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1947           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
1948             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
1949             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
1950             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
1951             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
1952             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
1953               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
1954               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
1955               // the specified iteration number.
1956               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
1957                                                     ICC->getValue()->getValue(),
1958                                                                LI);
1959               if (RV) return SCEVUnknown::get(RV);
1960             }
1961           }
1962
1963       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
1964       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
1965       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
1966       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
1967       if (CanConstantFold(I)) {
1968         std::vector<Constant*> Operands;
1969         Operands.reserve(I->getNumOperands());
1970         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1971           Value *Op = I->getOperand(i);
1972           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
1973             Operands.push_back(C);
1974           } else {
1975             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
1976             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
1977               Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(SC->getValue(), 
1978                                                               Op->getType(), 
1979                                                               false));
1980             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
1981               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
1982                 Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(C, 
1983                                                                 Op->getType(), 
1984                                                                 false));
1985               else
1986                 return V;
1987             } else {
1988               return V;
1989             }
1990           }
1991         }
1992         Constant *C =ConstantFoldInstOperands(I, &Operands[0], Operands.size());
1993         return SCEVUnknown::get(C);
1994       }
1995     }
1996
1997     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
1998     return V;
1999   }
2000
2001   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
2002     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
2003     // expression has no loop-variant portions.
2004     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2005       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2006       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2007         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2008         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2009         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2010         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2011         NewOps.push_back(OpAtScope);
2012
2013         for (++i; i != e; ++i) {
2014           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2015           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2016           NewOps.push_back(OpAtScope);
2017         }
2018         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2019           return SCEVAddExpr::get(NewOps);
2020         assert(isa<SCEVMulExpr>(Comm) && "Only know about add and mul!");
2021         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
2022       }
2023     }
2024     // If we got here, all operands are loop invariant.
2025     return Comm;
2026   }
2027
2028   if (SCEVSDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVSDivExpr>(V)) {
2029     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2030     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2031     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2032     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2033     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2034       return Div;   // must be loop invariant
2035     return SCEVSDivExpr::get(LHS, RHS);
2036   }
2037
2038   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2039   // are dealing with the final value computed by the loop.
2040   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2041     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2042       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2043       // loop iterates.  Compute this now.
2044       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
2045       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2046       IterationCount = getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
2047                                                AddRec->getType());
2048
2049       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
2050       // Start + Step*IterationCount.
2051       if (AddRec->isAffine())
2052         return SCEVAddExpr::get(AddRec->getStart(),
2053                                 SCEVMulExpr::get(IterationCount,
2054                                                  AddRec->getOperand(1)));
2055
2056       // Otherwise, evaluate it the hard way.
2057       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount);
2058     }
2059     return UnknownValue;
2060   }
2061
2062   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2063   return UnknownValue;
2064 }
2065
2066
2067 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2068 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2069 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2070 ///
2071 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2072 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec) {
2073   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2074   SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2075   SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2076   SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2077
2078   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2079   if (!LC || !MC || !NC) {
2080     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2081     return std::make_pair(CNC, CNC);
2082   }
2083
2084   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2085   APInt L(LC->getValue()->getValue());
2086   APInt M(MC->getValue()->getValue());
2087   APInt N(MC->getValue()->getValue());
2088   APInt Two(BitWidth, 2);
2089   APInt Four(BitWidth, 4);
2090
2091   { 
2092     using namespace APIntOps;
2093     APInt C(L);
2094     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2095     // The B coefficient is M-N/2
2096     APInt B(M);
2097     B -= sdiv(N,Two);
2098
2099     // The A coefficient is N/2
2100     APInt A(N);
2101     A = A.sdiv(Two);
2102
2103     // Compute the B^2-4ac term.
2104     APInt SqrtTerm(B);
2105     SqrtTerm *= B;
2106     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2107
2108     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2109     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2110     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2111
2112     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2113     // The divisions must be performed as signed divisions.
2114     APInt NegB(-B);
2115     APInt TwoA( A * Two );
2116     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2117     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2118
2119     return std::make_pair(SCEVUnknown::get(Solution1), 
2120                           SCEVUnknown::get(Solution2));
2121     } // end APIntOps namespace
2122 }
2123
2124 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2125 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2126 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2127   // If the value is a constant
2128   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2129     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2130     if (C->getValue()->isZero()) return C;
2131     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2132   }
2133
2134   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2135   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2136     return UnknownValue;
2137
2138   if (AddRec->isAffine()) {
2139     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
2140     // equal to:
2141     //
2142     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
2143     //
2144     // Get the initial value for the loop.
2145     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2146     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2147     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
2148
2149     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
2150
2151     // Figure out if Start % Step == 0.
2152     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
2153     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2154       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
2155         return SCEV::getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
2156       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
2157         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
2158
2159       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
2160       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
2161         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
2162         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
2163         Constant *Rem = ConstantExpr::getSRem(StartNegC, StepC->getValue());
2164         if (Rem->isNullValue()) {
2165           Constant *Result =ConstantExpr::getSDiv(StartNegC,StepC->getValue());
2166           return SCEVUnknown::get(Result);
2167         }
2168       }
2169     }
2170   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2171     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2172     // the quadratic equation to solve it.
2173     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec);
2174     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2175     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2176     if (R1) {
2177 #if 0
2178       cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2179            << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2180 #endif
2181       // Pick the smallest positive root value.
2182       if (ConstantInt *CB =
2183           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2184                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2185         if (CB->getZExtValue() == false)
2186           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2187
2188         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2189         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2190         // should not accept a root of 2.
2191         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1);
2192         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
2193           if (EvalVal->getValue()->isZero())
2194             return R1;  // We found a quadratic root!
2195       }
2196     }
2197   }
2198
2199   return UnknownValue;
2200 }
2201
2202 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2203 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2204 /// UnknownValue
2205 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2206   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2207   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2208   // future as needed.
2209
2210   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2211   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2212   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2213     Constant *Zero = Constant::getNullValue(C->getValue()->getType());
2214     Constant *NonZero = 
2215       ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_NE, C->getValue(), Zero);
2216     if (NonZero == ConstantInt::getTrue())
2217       return getSCEV(Zero);
2218     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2219   }
2220
2221   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2222   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2223   return UnknownValue;
2224 }
2225
2226 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
2227 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
2228 /// UnknownValue.
2229 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2230 HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L) {
2231   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
2232   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
2233
2234   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
2235   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2236     return UnknownValue;
2237
2238   if (AddRec->isAffine()) {
2239     // FORNOW: We only support unit strides.
2240     SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, RHS->getType());
2241     if (AddRec->getOperand(1) != One)
2242       return UnknownValue;
2243
2244     // The number of iterations for "[n,+,1] < m", is m-n.  However, we don't
2245     // know that m is >= n on input to the loop.  If it is, the condition return
2246     // true zero times.  What we really should return, for full generality, is
2247     // SMAX(0, m-n).  Since we cannot check this, we will instead check for a
2248     // canonical loop form: most do-loops will have a check that dominates the
2249     // loop, that only enters the loop if [n-1]<m.  If we can find this check,
2250     // we know that the SMAX will evaluate to m-n, because we know that m >= n.
2251
2252     // Search for the check.
2253     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
2254     BasicBlock *PreheaderDest = L->getHeader();
2255     if (Preheader == 0) return UnknownValue;
2256
2257     BranchInst *LoopEntryPredicate =
2258       dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2259     if (!LoopEntryPredicate) return UnknownValue;
2260
2261     // This might be a critical edge broken out.  If the loop preheader ends in
2262     // an unconditional branch to the loop, check to see if the preheader has a
2263     // single predecessor, and if so, look for its terminator.
2264     while (LoopEntryPredicate->isUnconditional()) {
2265       PreheaderDest = Preheader;
2266       Preheader = Preheader->getSinglePredecessor();
2267       if (!Preheader) return UnknownValue;  // Multiple preds.
2268       
2269       LoopEntryPredicate =
2270         dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2271       if (!LoopEntryPredicate) return UnknownValue;
2272     }
2273
2274     // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
2275     // see if it is the comparison we are looking for.
2276     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoopEntryPredicate->getCondition())){
2277       Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
2278       Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
2279       ICmpInst::Predicate Cond;
2280       if (LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) == PreheaderDest)
2281         Cond = ICI->getPredicate();
2282       else
2283         Cond = ICI->getInversePredicate();
2284     
2285       switch (Cond) {
2286       case ICmpInst::ICMP_UGT:
2287         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2288         Cond = ICmpInst::ICMP_ULT;
2289         break;
2290       case ICmpInst::ICMP_SGT:
2291         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2292         Cond = ICmpInst::ICMP_SLT;
2293         break;
2294       default: break;
2295       }
2296
2297       if (Cond == ICmpInst::ICMP_SLT) {
2298         if (PreCondLHS->getType()->isInteger()) {
2299           if (RHS != getSCEV(PreCondRHS))
2300             return UnknownValue;  // Not a comparison against 'm'.
2301
2302           if (SCEV::getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0), One)
2303                       != getSCEV(PreCondLHS))
2304             return UnknownValue;  // Not a comparison against 'n-1'.
2305         }
2306         else return UnknownValue;
2307       } else if (Cond == ICmpInst::ICMP_ULT)
2308         return UnknownValue;
2309
2310       // cerr << "Computed Loop Trip Count as: " 
2311       //      << //  *SCEV::getMinusSCEV(RHS, AddRec->getOperand(0)) << "\n";
2312       return SCEV::getMinusSCEV(RHS, AddRec->getOperand(0));
2313     }
2314     else 
2315       return UnknownValue;
2316   }
2317
2318   return UnknownValue;
2319 }
2320
2321 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2322 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2323 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2324 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2325 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2326 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range, 
2327                                                    bool isSigned) const {
2328   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2329     return new SCEVCouldNotCompute();
2330
2331   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2332   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2333     if (!SC->getValue()->isZero()) {
2334       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2335       Operands[0] = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2336       SCEVHandle Shifted = SCEVAddRecExpr::get(Operands, getLoop());
2337       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2338         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2339                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()),isSigned);
2340       // This is strange and shouldn't happen.
2341       return new SCEVCouldNotCompute();
2342     }
2343
2344   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2345   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2346   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2347     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2348       return new SCEVCouldNotCompute();
2349
2350
2351   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2352   // that the start element is zero.
2353
2354   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2355   // iteration exits.
2356   if (!Range.contains(APInt(getBitWidth(),0))) 
2357     return SCEVConstant::get(ConstantInt::get(getType(),0));
2358
2359   if (isAffine()) {
2360     // If this is an affine expression then we have this situation:
2361     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2362
2363     // Since we know that zero is in the range, we know that the upper value of
2364     // the range must be the first possible exit value.  Also note that we
2365     // already checked for a full range.
2366     const APInt &Upper = Range.getUpper();
2367     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
2368     APInt One(getBitWidth(),1);
2369
2370     // The exit value should be (Upper+A-1)/A.
2371     APInt ExitVal(Upper);
2372     if (A != One)
2373       ExitVal = (Upper + A - One).sdiv(A);
2374     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(ExitVal);
2375
2376     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2377     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2378     // things must have happened.
2379     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue);
2380     if (Range.contains(Val->getValue()))
2381       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2382
2383     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2384     assert(Range.contains(
2385            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
2386            ConstantInt::get(ExitVal - One))->getValue()) &&
2387            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2388     return SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(ExitValue));
2389   } else if (isQuadratic()) {
2390     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2391     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2392     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2393     // Range.getUpper() is crossed.
2394     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2395     NewOps[0] = SCEV::getNegativeSCEV(SCEVUnknown::get(
2396                                            ConstantInt::get(Range.getUpper())));
2397     SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, getLoop());
2398
2399     // Next, solve the constructed addrec
2400     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2401       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec));
2402     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2403     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2404     if (R1) {
2405       // Pick the smallest positive root value.
2406       if (ConstantInt *CB =
2407           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2408                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2409         if (CB->getZExtValue() == false)
2410           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2411
2412         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2413         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2414         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2415         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2416                                                              R1->getValue());
2417         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
2418           // The next iteration must be out of the range...
2419           Constant *NextVal =
2420             ConstantExpr::getAdd(R1->getValue(),
2421                                  ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2422
2423           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2424           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
2425             return SCEVUnknown::get(NextVal);
2426           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2427         }
2428
2429         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2430         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2431         Constant *NextVal =
2432           ConstantExpr::getSub(R1->getValue(),
2433                                ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2434         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2435         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
2436           return R1;
2437         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2438       }
2439     }
2440   }
2441
2442   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2443   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2444   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2445   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2446   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2447   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2448   ConstantInt *One     = ConstantInt::get(getType(), 1);
2449   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2450   do {
2451     ++NumBruteForceEvaluations;
2452     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SCEVConstant::get(TestVal));
2453     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2454       return new SCEVCouldNotCompute();
2455
2456     // Check to see if we found the value!
2457     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()->getValue()))
2458       return SCEVConstant::get(TestVal);
2459
2460     // Increment to test the next index.
2461     TestVal = cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getAdd(TestVal, One));
2462   } while (TestVal != EndVal);
2463
2464   return new SCEVCouldNotCompute();
2465 }
2466
2467
2468
2469 //===----------------------------------------------------------------------===//
2470 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2471 //===----------------------------------------------------------------------===//
2472
2473 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2474   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(F, getAnalysis<LoopInfo>());
2475   return false;
2476 }
2477
2478 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2479   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2480   Impl = 0;
2481 }
2482
2483 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2484   AU.setPreservesAll();
2485   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2486 }
2487
2488 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2489   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2490 }
2491
2492 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
2493 /// computed.
2494 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
2495   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->hasSCEV(V);
2496 }
2497
2498
2499 /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
2500 /// the specified value.
2501 void ScalarEvolution::setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
2502   ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->setSCEV(V, H);
2503 }
2504
2505
2506 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2507   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2508 }
2509
2510 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2511   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2512 }
2513
2514 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2515   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2516 }
2517
2518 void ScalarEvolution::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) const {
2519   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteInstructionFromRecords(I);
2520 }
2521
2522 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE,
2523                           const Loop *L) {
2524   // Print all inner loops first
2525   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2526     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2527
2528   cerr << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2529
2530   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
2531   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2532   if (ExitBlocks.size() != 1)
2533     cerr << "<multiple exits> ";
2534
2535   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2536     cerr << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2537   } else {
2538     cerr << "Unpredictable iteration count. ";
2539   }
2540
2541   cerr << "\n";
2542 }
2543
2544 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS, const Module* ) const {
2545   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2546   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2547
2548   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2549   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2550     if (I->getType()->isInteger()) {
2551       OS << *I;
2552       OS << "  --> ";
2553       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2554       SV->print(OS);
2555       OS << "\t\t";
2556
2557       if ((*I).getType()->isInteger()) {
2558         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2559         if (!Bounds.isFullSet())
2560           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2561       }
2562
2563       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2564         OS << "Exits: ";
2565         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2566         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2567           OS << "<<Unknown>>";
2568         } else {
2569           OS << *ExitValue;
2570         }
2571       }
2572
2573
2574       OS << "\n";
2575     }
2576
2577   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2578   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2579     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2580 }
2581