Canonicalize nested AddRecs in by nesting them in order of loop depth.
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains the implementation of the scalar evolution analysis
11 // engine, which is used primarily to analyze expressions involving induction
12 // variables in loops.
13 //
14 // There are several aspects to this library.  First is the representation of
15 // scalar expressions, which are represented as subclasses of the SCEV class.
16 // These classes are used to represent certain types of subexpressions that we
17 // can handle.  These classes are reference counted, managed by the SCEVHandle
18 // class.  We only create one SCEV of a particular shape, so pointer-comparisons
19 // for equality are legal.
20 //
21 // One important aspect of the SCEV objects is that they are never cyclic, even
22 // if there is a cycle in the dataflow for an expression (ie, a PHI node).  If
23 // the PHI node is one of the idioms that we can represent (e.g., a polynomial
24 // recurrence) then we represent it directly as a recurrence node, otherwise we
25 // represent it as a SCEVUnknown node.
26 //
27 // In addition to being able to represent expressions of various types, we also
28 // have folders that are used to build the *canonical* representation for a
29 // particular expression.  These folders are capable of using a variety of
30 // rewrite rules to simplify the expressions.
31 //
32 // Once the folders are defined, we can implement the more interesting
33 // higher-level code, such as the code that recognizes PHI nodes of various
34 // types, computes the execution count of a loop, etc.
35 //
36 // TODO: We should use these routines and value representations to implement
37 // dependence analysis!
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40 //
41 // There are several good references for the techniques used in this analysis.
42 //
43 //  Chains of recurrences -- a method to expedite the evaluation
44 //  of closed-form functions
45 //  Olaf Bachmann, Paul S. Wang, Eugene V. Zima
46 //
47 //  On computational properties of chains of recurrences
48 //  Eugene V. Zima
49 //
50 //  Symbolic Evaluation of Chains of Recurrences for Loop Optimization
51 //  Robert A. van Engelen
52 //
53 //  Efficient Symbolic Analysis for Optimizing Compilers
54 //  Robert A. van Engelen
55 //
56 //  Using the chains of recurrences algebra for data dependence testing and
57 //  induction variable substitution
58 //  MS Thesis, Johnie Birch
59 //
60 //===----------------------------------------------------------------------===//
61
62 #define DEBUG_TYPE "scalar-evolution"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Constants.h"
65 #include "llvm/DerivedTypes.h"
66 #include "llvm/GlobalVariable.h"
67 #include "llvm/Instructions.h"
68 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
69 #include "llvm/Analysis/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 static 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 static RegisterPass<ScalarEvolution>
105 R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis", false, true);
106 char ScalarEvolution::ID = 0;
107
108 //===----------------------------------------------------------------------===//
109 //                           SCEV class definitions
110 //===----------------------------------------------------------------------===//
111
112 //===----------------------------------------------------------------------===//
113 // Implementation of the SCEV class.
114 //
115 SCEV::~SCEV() {}
116 void SCEV::dump() const {
117   print(cerr);
118 }
119
120 uint32_t SCEV::getBitWidth() const {
121   if (const IntegerType* ITy = dyn_cast<IntegerType>(getType()))
122     return ITy->getBitWidth();
123   return 0;
124 }
125
126 bool SCEV::isZero() const {
127   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
128     return SC->getValue()->isZero();
129   return false;
130 }
131
132
133 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
134
135 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
136   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
137   return false;
138 }
139
140 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
141   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
142   return 0;
143 }
144
145 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
146   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
147   return false;
148 }
149
150 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
151 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
152                                   const SCEVHandle &Conc,
153                                   ScalarEvolution &SE) const {
154   return this;
155 }
156
157 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
158   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
159 }
160
161 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
162   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
163 }
164
165
166 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
167 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
168 // never be deleted!
169 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
170
171
172 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
173   SCEVConstants->erase(V);
174 }
175
176 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(ConstantInt *V) {
177   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
178   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
179   return R;
180 }
181
182 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(const APInt& Val) {
183   return getConstant(ConstantInt::get(Val));
184 }
185
186 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
187
188 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
189   WriteAsOperand(OS, V, false);
190 }
191
192 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
193 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
194 // never be deleted!
195 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, 
196                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
197
198 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
199   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
200   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
201          "Cannot truncate non-integer value!");
202   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits()
203          && "This is not a truncating conversion!");
204 }
205
206 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
207   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
208 }
209
210 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
211   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
212 }
213
214 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
215 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
216 // be deleted!
217 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
218                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
219
220 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
221   : SCEV(scZeroExtend), Op(op), Ty(ty) {
222   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
223          "Cannot zero extend non-integer value!");
224   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
225          && "This is not an extending conversion!");
226 }
227
228 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
229   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
230 }
231
232 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
233   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
234 }
235
236 // SCEVSignExtends - Only allow the creation of one SCEVSignExtendExpr for any
237 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
238 // be deleted!
239 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
240                      SCEVSignExtendExpr*> > SCEVSignExtends;
241
242 SCEVSignExtendExpr::SCEVSignExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
243   : SCEV(scSignExtend), Op(op), Ty(ty) {
244   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
245          "Cannot sign extend non-integer value!");
246   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
247          && "This is not an extending conversion!");
248 }
249
250 SCEVSignExtendExpr::~SCEVSignExtendExpr() {
251   SCEVSignExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
252 }
253
254 void SCEVSignExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
255   OS << "(signextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
256 }
257
258 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
259 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
260 // be deleted!
261 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
262                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
263
264 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
265   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(),
266                                       std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
267                                                          Operands.end())));
268 }
269
270 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
271   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
272   const char *OpStr = getOperationStr();
273   OS << "(" << *Operands[0];
274   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
275     OS << OpStr << *Operands[i];
276   OS << ")";
277 }
278
279 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
280 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
281                                   const SCEVHandle &Conc,
282                                   ScalarEvolution &SE) const {
283   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
284     SCEVHandle H =
285       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
286     if (H != getOperand(i)) {
287       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
288       NewOps.reserve(getNumOperands());
289       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
290         NewOps.push_back(getOperand(j));
291       NewOps.push_back(H);
292       for (++i; i != e; ++i)
293         NewOps.push_back(getOperand(i)->
294                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
295
296       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
297         return SE.getAddExpr(NewOps);
298       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
299         return SE.getMulExpr(NewOps);
300       else if (isa<SCEVSMaxExpr>(this))
301         return SE.getSMaxExpr(NewOps);
302       else if (isa<SCEVUMaxExpr>(this))
303         return SE.getUMaxExpr(NewOps);
304       else
305         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
306     }
307   }
308   return this;
309 }
310
311
312 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
313 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
314 // deleted!
315 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, 
316                      SCEVUDivExpr*> > SCEVUDivs;
317
318 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
319   SCEVUDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
320 }
321
322 void SCEVUDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
323   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
324 }
325
326 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
327   return LHS->getType();
328 }
329
330 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
331 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
332 // be deleted!
333 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
334                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
335
336 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
337   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L,
338                                         std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
339                                                            Operands.end())));
340 }
341
342 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
343 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
344                                   const SCEVHandle &Conc,
345                                   ScalarEvolution &SE) const {
346   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
347     SCEVHandle H =
348       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
349     if (H != getOperand(i)) {
350       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
351       NewOps.reserve(getNumOperands());
352       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
353         NewOps.push_back(getOperand(j));
354       NewOps.push_back(H);
355       for (++i; i != e; ++i)
356         NewOps.push_back(getOperand(i)->
357                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
358
359       return SE.getAddRecExpr(NewOps, L);
360     }
361   }
362   return this;
363 }
364
365
366 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
367   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
368   // contain L and if the start is invariant.
369   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
370          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
371 }
372
373
374 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
375   OS << "{" << *Operands[0];
376   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
377     OS << ",+," << *Operands[i];
378   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
379 }
380
381 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
382 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
383 // deleted!
384 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
385
386 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
387
388 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
389   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
390   // invariant if they are not contained in the specified loop.
391   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
392     return !L->contains(I->getParent());
393   return true;
394 }
395
396 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
397   return V->getType();
398 }
399
400 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
401   WriteAsOperand(OS, V, false);
402 }
403
404 //===----------------------------------------------------------------------===//
405 //                               SCEV Utilities
406 //===----------------------------------------------------------------------===//
407
408 namespace {
409   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
410   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
411   /// expressions.
412   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
413     bool operator()(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) const {
414       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
415     }
416   };
417 }
418
419 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
420 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
421 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
422 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
423 ///
424 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
425 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
426 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
427 /// land in memory.
428 ///
429 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
430   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
431   if (Ops.size() == 2) {
432     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
433     // Special case it.
434     if (SCEVComplexityCompare()(Ops[1], Ops[0]))
435       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
436     return;
437   }
438
439   // Do the rough sort by complexity.
440   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
441
442   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
443   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
444   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
445   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
446   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
447     SCEV *S = Ops[i];
448     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
449
450     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
451     // one, group them.
452     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
453       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
454         // Move it to immediately after i'th element.
455         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
456         ++i;   // no need to rescan it.
457         if (i == e-2) return;  // Done!
458       }
459     }
460   }
461 }
462
463
464
465 //===----------------------------------------------------------------------===//
466 //                      Simple SCEV method implementations
467 //===----------------------------------------------------------------------===//
468
469 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
470 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
471 SCEVHandle ScalarEvolution::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
472   Constant *C;
473   if (Val == 0)
474     C = Constant::getNullValue(Ty);
475   else if (Ty->isFloatingPoint())
476     C = ConstantFP::get(APFloat(Ty==Type::FloatTy ? APFloat::IEEEsingle : 
477                                 APFloat::IEEEdouble, Val));
478   else 
479     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
480   return getUnknown(C);
481 }
482
483 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
484 ///
485 SCEVHandle ScalarEvolution::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
486   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
487     return getUnknown(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
488
489   return getMulExpr(V, getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(V->getType())));
490 }
491
492 /// getNotSCEV - Return a SCEV corresponding to ~V = -1-V
493 SCEVHandle ScalarEvolution::getNotSCEV(const SCEVHandle &V) {
494   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
495     return getUnknown(ConstantExpr::getNot(VC->getValue()));
496
497   SCEVHandle AllOnes = getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(V->getType()));
498   return getMinusSCEV(AllOnes, V);
499 }
500
501 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
502 ///
503 SCEVHandle ScalarEvolution::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
504                                          const SCEVHandle &RHS) {
505   // X - Y --> X + -Y
506   return getAddExpr(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
507 }
508
509
510 /// BinomialCoefficient - Compute BC(It, K).  The result has width W.
511 // Assume, K > 0.
512 static SCEVHandle BinomialCoefficient(SCEVHandle It, unsigned K,
513                                       ScalarEvolution &SE,
514                                       const IntegerType* ResultTy) {
515   // Handle the simplest case efficiently.
516   if (K == 1)
517     return SE.getTruncateOrZeroExtend(It, ResultTy);
518
519   // We are using the following formula for BC(It, K):
520   //
521   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / K!
522   //
523   // Suppose, W is the bitwidth of the return value.  We must be prepared for
524   // overflow.  Hence, we must assure that the result of our computation is
525   // equal to the accurate one modulo 2^W.  Unfortunately, division isn't
526   // safe in modular arithmetic.
527   //
528   // However, this code doesn't use exactly that formula; the formula it uses
529   // is something like the following, where T is the number of factors of 2 in 
530   // K! (i.e. trailing zeros in the binary representation of K!), and ^ is
531   // exponentiation:
532   //
533   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / 2^T / (K! / 2^T)
534   //
535   // This formula is trivially equivalent to the previous formula.  However,
536   // this formula can be implemented much more efficiently.  The trick is that
537   // K! / 2^T is odd, and exact division by an odd number *is* safe in modular
538   // arithmetic.  To do exact division in modular arithmetic, all we have
539   // to do is multiply by the inverse.  Therefore, this step can be done at
540   // width W.
541   // 
542   // The next issue is how to safely do the division by 2^T.  The way this
543   // is done is by doing the multiplication step at a width of at least W + T
544   // bits.  This way, the bottom W+T bits of the product are accurate. Then,
545   // when we perform the division by 2^T (which is equivalent to a right shift
546   // by T), the bottom W bits are accurate.  Extra bits are okay; they'll get
547   // truncated out after the division by 2^T.
548   //
549   // In comparison to just directly using the first formula, this technique
550   // is much more efficient; using the first formula requires W * K bits,
551   // but this formula less than W + K bits. Also, the first formula requires
552   // a division step, whereas this formula only requires multiplies and shifts.
553   //
554   // It doesn't matter whether the subtraction step is done in the calculation
555   // width or the input iteration count's width; if the subtraction overflows,
556   // the result must be zero anyway.  We prefer here to do it in the width of
557   // the induction variable because it helps a lot for certain cases; CodeGen
558   // isn't smart enough to ignore the overflow, which leads to much less
559   // efficient code if the width of the subtraction is wider than the native
560   // register width.
561   //
562   // (It's possible to not widen at all by pulling out factors of 2 before
563   // the multiplication; for example, K=2 can be calculated as
564   // It/2*(It+(It*INT_MIN/INT_MIN)+-1). However, it requires
565   // extra arithmetic, so it's not an obvious win, and it gets
566   // much more complicated for K > 3.)
567
568   // Protection from insane SCEVs; this bound is conservative,
569   // but it probably doesn't matter.
570   if (K > 1000)
571     return new SCEVCouldNotCompute();
572
573   unsigned W = ResultTy->getBitWidth();
574
575   // Calculate K! / 2^T and T; we divide out the factors of two before
576   // multiplying for calculating K! / 2^T to avoid overflow.
577   // Other overflow doesn't matter because we only care about the bottom
578   // W bits of the result.
579   APInt OddFactorial(W, 1);
580   unsigned T = 1;
581   for (unsigned i = 3; i <= K; ++i) {
582     APInt Mult(W, i);
583     unsigned TwoFactors = Mult.countTrailingZeros();
584     T += TwoFactors;
585     Mult = Mult.lshr(TwoFactors);
586     OddFactorial *= Mult;
587   }
588
589   // We need at least W + T bits for the multiplication step
590   // FIXME: A temporary hack; we round up the bitwidths
591   // to the nearest power of 2 to be nice to the code generator.
592   unsigned CalculationBits = 1U << Log2_32_Ceil(W + T);
593   // FIXME: Temporary hack to avoid generating integers that are too wide.
594   // Although, it's not completely clear how to determine how much
595   // widening is safe; for example, on X86, we can't really widen
596   // beyond 64 because we need to be able to do multiplication
597   // that's CalculationBits wide, but on X86-64, we can safely widen up to
598   // 128 bits.
599   if (CalculationBits > 64)
600     return new SCEVCouldNotCompute();
601
602   // Calcuate 2^T, at width T+W.
603   APInt DivFactor = APInt(CalculationBits, 1).shl(T);
604
605   // Calculate the multiplicative inverse of K! / 2^T;
606   // this multiplication factor will perform the exact division by
607   // K! / 2^T.
608   APInt Mod = APInt::getSignedMinValue(W+1);
609   APInt MultiplyFactor = OddFactorial.zext(W+1);
610   MultiplyFactor = MultiplyFactor.multiplicativeInverse(Mod);
611   MultiplyFactor = MultiplyFactor.trunc(W);
612
613   // Calculate the product, at width T+W
614   const IntegerType *CalculationTy = IntegerType::get(CalculationBits);
615   SCEVHandle Dividend = SE.getTruncateOrZeroExtend(It, CalculationTy);
616   for (unsigned i = 1; i != K; ++i) {
617     SCEVHandle S = SE.getMinusSCEV(It, SE.getIntegerSCEV(i, It->getType()));
618     Dividend = SE.getMulExpr(Dividend,
619                              SE.getTruncateOrZeroExtend(S, CalculationTy));
620   }
621
622   // Divide by 2^T
623   SCEVHandle DivResult = SE.getUDivExpr(Dividend, SE.getConstant(DivFactor));
624
625   // Truncate the result, and divide by K! / 2^T.
626
627   return SE.getMulExpr(SE.getConstant(MultiplyFactor),
628                        SE.getTruncateOrZeroExtend(DivResult, ResultTy));
629 }
630
631 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
632 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
633 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
634 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
635 ///
636 ///   A*BC(It, 0) + B*BC(It, 1) + C*BC(It, 2) + D*BC(It, 3)
637 ///
638 /// where BC(It, k) stands for binomial coefficient.
639 ///
640 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It,
641                                                ScalarEvolution &SE) const {
642   SCEVHandle Result = getStart();
643   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
644     // The computation is correct in the face of overflow provided that the
645     // multiplication is performed _after_ the evaluation of the binomial
646     // coefficient.
647     SCEVHandle Val =
648       SE.getMulExpr(getOperand(i),
649                     BinomialCoefficient(It, i, SE,
650                                         cast<IntegerType>(getType())));
651     Result = SE.getAddExpr(Result, Val);
652   }
653   return Result;
654 }
655
656 //===----------------------------------------------------------------------===//
657 //                    SCEV Expression folder implementations
658 //===----------------------------------------------------------------------===//
659
660 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
661   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
662     return getUnknown(
663         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
664
665   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
666   // all of the constants.
667   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
668     std::vector<SCEVHandle> Operands;
669     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
670       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
671       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
672         Operands.push_back(getTruncateExpr(AddRec->getOperand(i), Ty));
673       else
674         break;
675     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
676       return getAddRecExpr(Operands, AddRec->getLoop());
677   }
678
679   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
680   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
681   return Result;
682 }
683
684 SCEVHandle ScalarEvolution::getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
685   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
686     return getUnknown(
687         ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), Ty));
688
689   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
690   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
691   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
692   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
693
694   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
695   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
696   return Result;
697 }
698
699 SCEVHandle ScalarEvolution::getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
700   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
701     return getUnknown(
702         ConstantExpr::getSExt(SC->getValue(), Ty));
703
704   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
705   // did not overflow the old, smaller, value, we can sign extend all of the
706   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
707   // this:  for (signed char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
708
709   SCEVSignExtendExpr *&Result = (*SCEVSignExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
710   if (Result == 0) Result = new SCEVSignExtendExpr(Op, Ty);
711   return Result;
712 }
713
714 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
715 /// of the input value to the specified type.  If the type must be
716 /// extended, it is zero extended.
717 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V,
718                                                     const Type *Ty) {
719   const Type *SrcTy = V->getType();
720   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
721          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
722   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() == Ty->getPrimitiveSizeInBits())
723     return V;  // No conversion
724   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits())
725     return getTruncateExpr(V, Ty);
726   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
727 }
728
729 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
730 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
731   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
732   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
733
734   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
735   GroupByComplexity(Ops);
736
737   // If there are any constants, fold them together.
738   unsigned Idx = 0;
739   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
740     ++Idx;
741     assert(Idx < Ops.size());
742     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
743       // We found two constants, fold them together!
744       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() + 
745                                            RHSC->getValue()->getValue());
746       Ops[0] = getConstant(Fold);
747       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
748       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
749       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
750     }
751
752     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
753     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
754       Ops.erase(Ops.begin());
755       --Idx;
756     }
757   }
758
759   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
760
761   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
762   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
763   // list, these values are required to be adjacent.
764   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
765   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
766     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
767       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
768       // remaining values to the result.
769       SCEVHandle Two = getIntegerSCEV(2, Ty);
770       SCEVHandle Mul = getMulExpr(Ops[i], Two);
771       if (Ops.size() == 2)
772         return Mul;
773       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
774       Ops.push_back(Mul);
775       return getAddExpr(Ops);
776     }
777
778   // Now we know the first non-constant operand.  Skip past any cast SCEVs.
779   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddExpr)
780     ++Idx;
781
782   // If there are add operands they would be next.
783   if (Idx < Ops.size()) {
784     bool DeletedAdd = false;
785     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
786       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
787       // list.
788       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
789       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
790       DeletedAdd = true;
791     }
792
793     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
794     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
795     // any operands we just aquired.
796     if (DeletedAdd)
797       return getAddExpr(Ops);
798   }
799
800   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
801   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
802     ++Idx;
803
804   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
805   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
806   // the multiply.
807   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
808     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
809     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
810       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
811       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
812         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
813           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
814           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
815           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
816             // If the multiply has more than two operands, we must get the
817             // Y*Z term.
818             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
819             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
820             InnerMul = getMulExpr(MulOps);
821           }
822           SCEVHandle One = getIntegerSCEV(1, Ty);
823           SCEVHandle AddOne = getAddExpr(InnerMul, One);
824           SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(AddOne, Ops[AddOp]);
825           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
826           if (AddOp < Idx) {
827             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
828             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
829           } else {
830             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
831             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
832           }
833           Ops.push_back(OuterMul);
834           return getAddExpr(Ops);
835         }
836
837       // Check this multiply against other multiplies being added together.
838       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
839            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
840            ++OtherMulIdx) {
841         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
842         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
843         // together.
844         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
845              OMulOp != e; ++OMulOp)
846           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
847             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
848             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
849             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
850               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
851               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
852               InnerMul1 = getMulExpr(MulOps);
853             }
854             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
855             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
856               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
857                                              OtherMul->op_end());
858               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
859               InnerMul2 = getMulExpr(MulOps);
860             }
861             SCEVHandle InnerMulSum = getAddExpr(InnerMul1,InnerMul2);
862             SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(MulOpSCEV, InnerMulSum);
863             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
864             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
865             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
866             Ops.push_back(OuterMul);
867             return getAddExpr(Ops);
868           }
869       }
870     }
871   }
872
873   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
874   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
875   // recurrence.
876   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
877     ++Idx;
878
879   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
880   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
881     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
882     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
883     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
884     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
885     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
886       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
887         LIOps.push_back(Ops[i]);
888         Ops.erase(Ops.begin()+i);
889         --i; --e;
890       }
891
892     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
893     if (!LIOps.empty()) {
894       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
895       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
896
897       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
898       AddRecOps[0] = getAddExpr(LIOps);
899
900       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(AddRecOps, AddRec->getLoop());
901       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
902       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
903
904       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
905       for (unsigned i = 0;; ++i)
906         if (Ops[i] == AddRec) {
907           Ops[i] = NewRec;
908           break;
909         }
910       return getAddExpr(Ops);
911     }
912
913     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
914     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
915     // added together.  If so, we can fold them.
916     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
917          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
918       if (OtherIdx != Idx) {
919         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
920         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
921           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
922           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
923           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
924             if (i >= NewOps.size()) {
925               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
926                             OtherAddRec->op_end());
927               break;
928             }
929             NewOps[i] = getAddExpr(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
930           }
931           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
932
933           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
934
935           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
936           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
937           Ops.push_back(NewAddRec);
938           return getAddExpr(Ops);
939         }
940       }
941
942     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
943     // next one.
944   }
945
946   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
947   // already have one, otherwise create a new one.
948   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
949   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
950                                                                  SCEVOps)];
951   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
952   return Result;
953 }
954
955
956 SCEVHandle ScalarEvolution::getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
957   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
958
959   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
960   GroupByComplexity(Ops);
961
962   // If there are any constants, fold them together.
963   unsigned Idx = 0;
964   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
965
966     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
967     if (Ops.size() == 2)
968       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
969         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
970             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
971           return getAddExpr(getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(0)),
972                             getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(1)));
973
974
975     ++Idx;
976     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
977       // We found two constants, fold them together!
978       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() * 
979                                            RHSC->getValue()->getValue());
980       Ops[0] = getConstant(Fold);
981       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
982       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
983       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
984     }
985
986     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
987     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
988       Ops.erase(Ops.begin());
989       --Idx;
990     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
991       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
992       return Ops[0];
993     }
994   }
995
996   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
997   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
998     ++Idx;
999
1000   if (Ops.size() == 1)
1001     return Ops[0];
1002
1003   // If there are mul operands inline them all into this expression.
1004   if (Idx < Ops.size()) {
1005     bool DeletedMul = false;
1006     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
1007       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
1008       // list.
1009       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
1010       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1011       DeletedMul = true;
1012     }
1013
1014     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
1015     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
1016     // any operands we just aquired.
1017     if (DeletedMul)
1018       return getMulExpr(Ops);
1019   }
1020
1021   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
1022   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
1023   // recurrence.
1024   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
1025     ++Idx;
1026
1027   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
1028   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1029     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
1030     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
1031     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
1032     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
1033     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1034       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1035         LIOps.push_back(Ops[i]);
1036         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1037         --i; --e;
1038       }
1039
1040     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1041     if (!LIOps.empty()) {
1042       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
1043       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
1044       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
1045       if (LIOps.size() == 1) {
1046         SCEV *Scale = LIOps[0];
1047         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
1048           NewOps.push_back(getMulExpr(Scale, AddRec->getOperand(i)));
1049       } else {
1050         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1051           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
1052           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
1053           NewOps.push_back(getMulExpr(MulOps));
1054         }
1055       }
1056
1057       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1058
1059       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1060       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1061
1062       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
1063       for (unsigned i = 0;; ++i)
1064         if (Ops[i] == AddRec) {
1065           Ops[i] = NewRec;
1066           break;
1067         }
1068       return getMulExpr(Ops);
1069     }
1070
1071     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1072     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1073     // multiplied together.  If so, we can fold them.
1074     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1075          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1076       if (OtherIdx != Idx) {
1077         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1078         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1079           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
1080           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
1081           SCEVHandle NewStart = getMulExpr(F->getStart(),
1082                                                  G->getStart());
1083           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence(*this);
1084           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence(*this);
1085           SCEVHandle NewStep = getAddExpr(getMulExpr(F, D),
1086                                           getMulExpr(G, B),
1087                                           getMulExpr(B, D));
1088           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewStart, NewStep,
1089                                                F->getLoop());
1090           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1091
1092           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1093           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1094           Ops.push_back(NewAddRec);
1095           return getMulExpr(Ops);
1096         }
1097       }
1098
1099     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1100     // next one.
1101   }
1102
1103   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
1104   // already have one, otherwise create a new one.
1105   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1106   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
1107                                                                  SCEVOps)];
1108   if (Result == 0)
1109     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
1110   return Result;
1111 }
1112
1113 SCEVHandle ScalarEvolution::getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1114   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1115     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1116       return LHS;                            // X udiv 1 --> x
1117
1118     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1119       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1120       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1121       return getUnknown(ConstantExpr::getUDiv(LHSCV, RHSCV));
1122     }
1123   }
1124
1125   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
1126
1127   SCEVUDivExpr *&Result = (*SCEVUDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
1128   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1129   return Result;
1130 }
1131
1132
1133 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1134 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1135 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start,
1136                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1137   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1138   Operands.push_back(Start);
1139   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1140     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1141       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1142                       StepChrec->op_end());
1143       return getAddRecExpr(Operands, L);
1144     }
1145
1146   Operands.push_back(Step);
1147   return getAddRecExpr(Operands, L);
1148 }
1149
1150 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1151 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1152 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1153                                const Loop *L) {
1154   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1155
1156   if (Operands.back()->isZero()) {
1157     Operands.pop_back();
1158     return getAddRecExpr(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
1159   }
1160
1161   // Canonicalize nested AddRecs in by nesting them in order of loop depth.
1162   if (SCEVAddRecExpr *NestedAR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Operands[0])) {
1163     const Loop* NestedLoop = NestedAR->getLoop();
1164     if (L->getLoopDepth() < NestedLoop->getLoopDepth()) {
1165       std::vector<SCEVHandle> NestedOperands(NestedAR->op_begin(),
1166                                              NestedAR->op_end());
1167       SCEVHandle NestedARHandle(NestedAR);
1168       Operands[0] = NestedAR->getStart();
1169       NestedOperands[0] = getAddRecExpr(Operands, L);
1170       return getAddRecExpr(NestedOperands, NestedLoop);
1171     }
1172   }
1173
1174   SCEVAddRecExpr *&Result =
1175     (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1176                                                             Operands.end()))];
1177   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1178   return Result;
1179 }
1180
1181 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1182                                         const SCEVHandle &RHS) {
1183   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1184   Ops.push_back(LHS);
1185   Ops.push_back(RHS);
1186   return getSMaxExpr(Ops);
1187 }
1188
1189 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1190   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty smax!");
1191   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1192
1193   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1194   GroupByComplexity(Ops);
1195
1196   // If there are any constants, fold them together.
1197   unsigned Idx = 0;
1198   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1199     ++Idx;
1200     assert(Idx < Ops.size());
1201     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1202       // We found two constants, fold them together!
1203       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1204                               APIntOps::smax(LHSC->getValue()->getValue(),
1205                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1206       Ops[0] = getConstant(Fold);
1207       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1208       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1209       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1210     }
1211
1212     // If we are left with a constant -inf, strip it off.
1213     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(true)) {
1214       Ops.erase(Ops.begin());
1215       --Idx;
1216     }
1217   }
1218
1219   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1220
1221   // Find the first SMax
1222   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scSMaxExpr)
1223     ++Idx;
1224
1225   // Check to see if one of the operands is an SMax. If so, expand its operands
1226   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1227   if (Idx < Ops.size()) {
1228     bool DeletedSMax = false;
1229     while (SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1230       Ops.insert(Ops.end(), SMax->op_begin(), SMax->op_end());
1231       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1232       DeletedSMax = true;
1233     }
1234
1235     if (DeletedSMax)
1236       return getSMaxExpr(Ops);
1237   }
1238
1239   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1240   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1241   // be adjacent.
1242   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1243     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X smax Y smax Y  -->  X smax Y
1244       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1245       --i; --e;
1246     }
1247
1248   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1249
1250   assert(!Ops.empty() && "Reduced smax down to nothing!");
1251
1252   // Okay, it looks like we really DO need an smax expr.  Check to see if we
1253   // already have one, otherwise create a new one.
1254   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1255   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scSMaxExpr,
1256                                                                  SCEVOps)];
1257   if (Result == 0) Result = new SCEVSMaxExpr(Ops);
1258   return Result;
1259 }
1260
1261 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1262                                         const SCEVHandle &RHS) {
1263   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1264   Ops.push_back(LHS);
1265   Ops.push_back(RHS);
1266   return getUMaxExpr(Ops);
1267 }
1268
1269 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1270   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty umax!");
1271   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1272
1273   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1274   GroupByComplexity(Ops);
1275
1276   // If there are any constants, fold them together.
1277   unsigned Idx = 0;
1278   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1279     ++Idx;
1280     assert(Idx < Ops.size());
1281     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1282       // We found two constants, fold them together!
1283       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1284                               APIntOps::umax(LHSC->getValue()->getValue(),
1285                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1286       Ops[0] = getConstant(Fold);
1287       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1288       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1289       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1290     }
1291
1292     // If we are left with a constant zero, strip it off.
1293     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(false)) {
1294       Ops.erase(Ops.begin());
1295       --Idx;
1296     }
1297   }
1298
1299   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1300
1301   // Find the first UMax
1302   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scUMaxExpr)
1303     ++Idx;
1304
1305   // Check to see if one of the operands is a UMax. If so, expand its operands
1306   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1307   if (Idx < Ops.size()) {
1308     bool DeletedUMax = false;
1309     while (SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1310       Ops.insert(Ops.end(), UMax->op_begin(), UMax->op_end());
1311       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1312       DeletedUMax = true;
1313     }
1314
1315     if (DeletedUMax)
1316       return getUMaxExpr(Ops);
1317   }
1318
1319   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1320   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1321   // be adjacent.
1322   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1323     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X umax Y umax Y  -->  X umax Y
1324       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1325       --i; --e;
1326     }
1327
1328   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1329
1330   assert(!Ops.empty() && "Reduced umax down to nothing!");
1331
1332   // Okay, it looks like we really DO need a umax expr.  Check to see if we
1333   // already have one, otherwise create a new one.
1334   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1335   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scUMaxExpr,
1336                                                                  SCEVOps)];
1337   if (Result == 0) Result = new SCEVUMaxExpr(Ops);
1338   return Result;
1339 }
1340
1341 SCEVHandle ScalarEvolution::getUnknown(Value *V) {
1342   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1343     return getConstant(CI);
1344   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1345   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1346   return Result;
1347 }
1348
1349
1350 //===----------------------------------------------------------------------===//
1351 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1352 //===----------------------------------------------------------------------===//
1353 //
1354 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1355 /// evolution code.
1356 ///
1357 namespace {
1358   struct VISIBILITY_HIDDEN ScalarEvolutionsImpl {
1359     /// SE - A reference to the public ScalarEvolution object.
1360     ScalarEvolution &SE;
1361
1362     /// F - The function we are analyzing.
1363     ///
1364     Function &F;
1365
1366     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1367     ///
1368     LoopInfo &LI;
1369
1370     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1371     /// things.
1372     SCEVHandle UnknownValue;
1373
1374     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1375     ///
1376     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1377
1378     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1379     /// function as they are computed.
1380     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1381
1382     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1383     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1384     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1385     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1386     /// exit value.
1387     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1388
1389   public:
1390     ScalarEvolutionsImpl(ScalarEvolution &se, Function &f, LoopInfo &li)
1391       : SE(se), F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1392
1393     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1394     /// expression and create a new one.
1395     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1396
1397     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1398     /// computed.
1399     bool hasSCEV(Value *V) const {
1400       return Scalars.count(V);
1401     }
1402
1403     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
1404     /// the specified value.
1405     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
1406       bool isNew = Scalars.insert(std::make_pair(V, H)).second;
1407       assert(isNew && "This entry already existed!");
1408     }
1409
1410
1411     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1412     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1413     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1414     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1415
1416
1417     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1418     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1419     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1420
1421     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1422     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1423     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1424     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1425
1426     /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
1427     /// client before it removes a value from the program, to make sure
1428     /// that no dangling references are left around.
1429     void deleteValueFromRecords(Value *V);
1430
1431   private:
1432     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1433     /// Analyze the expression.
1434     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1435
1436     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1437     /// SCEVs.
1438     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1439
1440     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
1441     /// for the specified instruction and replaces any references to the
1442     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
1443     /// PHI resolution.
1444     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
1445                                           const SCEVHandle &SymName,
1446                                           const SCEVHandle &NewVal);
1447
1448     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1449     /// will iterate.
1450     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1451
1452     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1453     /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
1454     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1455                                                         Constant *RHS,
1456                                                         const Loop *L,
1457                                                         ICmpInst::Predicate p);
1458
1459     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1460     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1461     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1462     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1463     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1464     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1465                                                  bool ExitWhen);
1466
1467     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1468     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1469     /// UnknownValue.
1470     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1471
1472     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1473     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1474     /// UnknownValue.
1475     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1476
1477     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
1478     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
1479     /// UnknownValue. isSigned specifies whether the less-than is signed.
1480     SCEVHandle HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L,
1481                                 bool isSigned);
1482
1483     /// executesAtLeastOnce - Test whether entry to the loop is protected by
1484     /// a conditional between LHS and RHS.
1485     bool executesAtLeastOnce(const Loop *L, bool isSigned, SCEV *LHS, SCEV *RHS);
1486
1487     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1488     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1489     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1490     /// involving constants, fold it.
1491     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its,
1492                                                 const Loop *L);
1493   };
1494 }
1495
1496 //===----------------------------------------------------------------------===//
1497 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1498 //
1499
1500 /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
1501 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1502 /// that no dangling references are left around.
1503 void ScalarEvolutionsImpl::deleteValueFromRecords(Value *V) {
1504   SmallVector<Value *, 16> Worklist;
1505
1506   if (Scalars.erase(V)) {
1507     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(V))
1508       ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1509     Worklist.push_back(V);
1510   }
1511
1512   while (!Worklist.empty()) {
1513     Value *VV = Worklist.back();
1514     Worklist.pop_back();
1515
1516     for (Instruction::use_iterator UI = VV->use_begin(), UE = VV->use_end();
1517          UI != UE; ++UI) {
1518       Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
1519       if (Scalars.erase(Inst)) {
1520         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(VV))
1521           ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1522         Worklist.push_back(Inst);
1523       }
1524     }
1525   }
1526 }
1527
1528
1529 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1530 /// expression and create a new one.
1531 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1532   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1533
1534   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1535   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1536   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1537   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1538   return S;
1539 }
1540
1541 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1542 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1543 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1544 void ScalarEvolutionsImpl::
1545 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1546                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1547   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1548   if (SI == Scalars.end()) return;
1549
1550   SCEVHandle NV =
1551     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal, SE);
1552   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1553
1554   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1555
1556   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1557   // updated!
1558   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1559        UI != E; ++UI)
1560     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1561 }
1562
1563 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1564 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1565 ///
1566 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1567   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1568     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1569       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1570         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1571         // from outside the loop, and one from inside.
1572         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1573         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1574
1575         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1576         SCEVHandle SymbolicName = SE.getUnknown(PN);
1577         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1578                "PHI node already processed?");
1579         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1580
1581         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1582         // the back-edge.
1583         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1584
1585         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1586         // has a special value for the first iteration of the loop.
1587
1588         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1589         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1590         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1591           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1592           // with a recurrence.
1593           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1594           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1595             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1596               if (FoundIndex == e) {
1597                 FoundIndex = i;
1598                 break;
1599               }
1600
1601           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1602             // Create an add with everything but the specified operand.
1603             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1604             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1605               if (i != FoundIndex)
1606                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1607             SCEVHandle Accum = SE.getAddExpr(Ops);
1608
1609             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1610             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1611             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1612                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1613                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1614               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1615               SCEVHandle PHISCEV  = SE.getAddRecExpr(StartVal, Accum, L);
1616
1617               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1618               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1619               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1620               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1621               // value.
1622               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1623               return PHISCEV;
1624             }
1625           }
1626         } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1627           // Otherwise, this could be a loop like this:
1628           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1629           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1630           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1631           // i really is an addrec evolution.
1632           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1633             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1634
1635             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1636             // initial step of the addrec evolution.
1637             if (StartVal == SE.getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1638                                             AddRec->getOperand(1))) {
1639               SCEVHandle PHISCEV = 
1640                  SE.getAddRecExpr(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1641
1642               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1643               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1644               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1645               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1646               // value.
1647               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1648               return PHISCEV;
1649             }
1650           }
1651         }
1652
1653         return SymbolicName;
1654       }
1655
1656   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1657   return SE.getUnknown(PN);
1658 }
1659
1660 /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S is
1661 /// guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same time,
1662 /// the minimum number of times S is divisible by 2.  For example, given {4,+,8}
1663 /// it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the bitwidth of S.
1664 static uint32_t GetMinTrailingZeros(SCEVHandle S) {
1665   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
1666     return C->getValue()->getValue().countTrailingZeros();
1667
1668   if (SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1669     return std::min(GetMinTrailingZeros(T->getOperand()), T->getBitWidth());
1670
1671   if (SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
1672     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
1673     return OpRes == E->getOperand()->getBitWidth() ? E->getBitWidth() : OpRes;
1674   }
1675
1676   if (SCEVSignExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
1677     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
1678     return OpRes == E->getOperand()->getBitWidth() ? E->getBitWidth() : OpRes;
1679   }
1680
1681   if (SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1682     // The result is the min of all operands results.
1683     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
1684     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1685       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
1686     return MinOpRes;
1687   }
1688
1689   if (SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1690     // The result is the sum of all operands results.
1691     uint32_t SumOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1692     uint32_t BitWidth = M->getBitWidth();
1693     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands();
1694          SumOpRes != BitWidth && i != e; ++i)
1695       SumOpRes = std::min(SumOpRes + GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)),
1696                           BitWidth);
1697     return SumOpRes;
1698   }
1699
1700   if (SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1701     // The result is the min of all operands results.
1702     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
1703     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1704       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
1705     return MinOpRes;
1706   }
1707
1708   if (SCEVSMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
1709     // The result is the min of all operands results.
1710     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1711     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1712       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
1713     return MinOpRes;
1714   }
1715
1716   if (SCEVUMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
1717     // The result is the min of all operands results.
1718     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1719     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1720       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
1721     return MinOpRes;
1722   }
1723
1724   // SCEVUDivExpr, SCEVUnknown
1725   return 0;
1726 }
1727
1728 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1729 /// Analyze the expression.
1730 ///
1731 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1732   if (!isa<IntegerType>(V->getType()))
1733     return SE.getUnknown(V);
1734     
1735   unsigned Opcode = Instruction::UserOp1;
1736   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
1737     Opcode = I->getOpcode();
1738   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
1739     Opcode = CE->getOpcode();
1740   else
1741     return SE.getUnknown(V);
1742
1743   User *U = cast<User>(V);
1744   switch (Opcode) {
1745   case Instruction::Add:
1746     return SE.getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1747                          getSCEV(U->getOperand(1)));
1748   case Instruction::Mul:
1749     return SE.getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1750                          getSCEV(U->getOperand(1)));
1751   case Instruction::UDiv:
1752     return SE.getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1753                           getSCEV(U->getOperand(1)));
1754   case Instruction::Sub:
1755     return SE.getMinusSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)),
1756                            getSCEV(U->getOperand(1)));
1757   case Instruction::Or:
1758     // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1759     // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an Add so loop
1760     // optimizations will transparently handle this case.
1761     //
1762     // In order for this transformation to be safe, the LHS must be of the
1763     // form X*(2^n) and the Or constant must be less than 2^n.
1764     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1765       SCEVHandle LHS = getSCEV(U->getOperand(0));
1766       const APInt &CIVal = CI->getValue();
1767       if (GetMinTrailingZeros(LHS) >=
1768           (CIVal.getBitWidth() - CIVal.countLeadingZeros()))
1769         return SE.getAddExpr(LHS, getSCEV(U->getOperand(1)));
1770     }
1771     break;
1772   case Instruction::Xor:
1773     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1774       // If the RHS of the xor is a signbit, then this is just an add.
1775       // Instcombine turns add of signbit into xor as a strength reduction step.
1776       if (CI->getValue().isSignBit())
1777         return SE.getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1778                              getSCEV(U->getOperand(1)));
1779
1780       // If the RHS of xor is -1, then this is a not operation.
1781       else if (CI->isAllOnesValue())
1782         return SE.getNotSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)));
1783     }
1784     break;
1785
1786   case Instruction::Shl:
1787     // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1788     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1789       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1790       Constant *X = ConstantInt::get(
1791         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1792       return SE.getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1793     }
1794     break;
1795
1796   case Instruction::LShr:
1797     // Turn logical shift right of a constant into a unsigned divide.
1798     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1799       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1800       Constant *X = ConstantInt::get(
1801         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1802       return SE.getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1803     }
1804     break;
1805
1806   case Instruction::Trunc:
1807     return SE.getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1808
1809   case Instruction::ZExt:
1810     return SE.getZeroExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1811
1812   case Instruction::SExt:
1813     return SE.getSignExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1814
1815   case Instruction::BitCast:
1816     // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1817     if (U->getType()->isInteger() &&
1818         U->getOperand(0)->getType()->isInteger())
1819       return getSCEV(U->getOperand(0));
1820     break;
1821
1822   case Instruction::PHI:
1823     return createNodeForPHI(cast<PHINode>(U));
1824
1825   case Instruction::Select:
1826     // This could be a smax or umax that was lowered earlier.
1827     // Try to recover it.
1828     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(U->getOperand(0))) {
1829       Value *LHS = ICI->getOperand(0);
1830       Value *RHS = ICI->getOperand(1);
1831       switch (ICI->getPredicate()) {
1832       case ICmpInst::ICMP_SLT:
1833       case ICmpInst::ICMP_SLE:
1834         std::swap(LHS, RHS);
1835         // fall through
1836       case ICmpInst::ICMP_SGT:
1837       case ICmpInst::ICMP_SGE:
1838         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
1839           return SE.getSMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1840         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
1841           // ~smax(~x, ~y) == smin(x, y).
1842           return SE.getNotSCEV(SE.getSMaxExpr(
1843                                    SE.getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
1844                                    SE.getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
1845         break;
1846       case ICmpInst::ICMP_ULT:
1847       case ICmpInst::ICMP_ULE:
1848         std::swap(LHS, RHS);
1849         // fall through
1850       case ICmpInst::ICMP_UGT:
1851       case ICmpInst::ICMP_UGE:
1852         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
1853           return SE.getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1854         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
1855           // ~umax(~x, ~y) == umin(x, y)
1856           return SE.getNotSCEV(SE.getUMaxExpr(SE.getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
1857                                               SE.getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
1858         break;
1859       default:
1860         break;
1861       }
1862     }
1863
1864   default: // We cannot analyze this expression.
1865     break;
1866   }
1867
1868   return SE.getUnknown(V);
1869 }
1870
1871
1872
1873 //===----------------------------------------------------------------------===//
1874 //                   Iteration Count Computation Code
1875 //
1876
1877 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1878 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1879 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1880 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1881   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1882   if (I == IterationCounts.end()) {
1883     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1884     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1885     if (ItCount != UnknownValue) {
1886       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1887              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1888       ++NumTripCountsComputed;
1889     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1890       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1891       ++NumTripCountsNotComputed;
1892     }
1893   }
1894   return I->second;
1895 }
1896
1897 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1898 /// will iterate.
1899 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1900   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1901   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
1902   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1903   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1904
1905   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1906   // loop to be exited.
1907   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1908
1909   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1910   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1911        PI != E; ++PI)
1912     if (L->contains(*PI)) {
1913       if (ExitingBlock == 0)
1914         ExitingBlock = *PI;
1915       else
1916         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1917     }
1918   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1919
1920   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1921   // exit.
1922   //
1923   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1924   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1925   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1926   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1927   
1928   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
1929   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
1930   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
1931   // not be equal to the trip count of the loop.
1932   //
1933   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
1934   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
1935   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
1936   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
1937   // could be done to handle more cases here.
1938   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
1939       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
1940       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
1941     return UnknownValue;
1942   
1943   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
1944
1945   // If it's not an integer comparison then compute it the hard way. 
1946   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
1947   // the type of the operand.
1948   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
1949     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1950                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1951
1952   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
1953   ICmpInst::Predicate Cond;
1954   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1955     Cond = ExitCond->getPredicate();
1956   else
1957     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
1958
1959   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1960   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1961     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1962       SCEVHandle ItCnt =
1963         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1964       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1965     }
1966
1967   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1968   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1969
1970   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1971   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1972   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1973   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1974   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1975
1976   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
1977   // loop the predicate will return true for these inputs.
1978   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1979     // If there is a constant, force it into the RHS.
1980     std::swap(LHS, RHS);
1981     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
1982   }
1983
1984   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1985   // while (P != P+100) ++P;
1986
1987   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1988   // ranges to answer this query.
1989   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1990     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1991       if (AddRec->getLoop() == L) {
1992         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1993         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1994         // comparison.
1995         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1996         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1997         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
1998           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
1999         if (CompVal) {
2000           // Form the constant range.
2001           ConstantRange CompRange(
2002               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
2003
2004           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, SE);
2005           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
2006         }
2007       }
2008
2009   switch (Cond) {
2010   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
2011     // Convert to: while (X-Y != 0)
2012     SCEVHandle TC = HowFarToZero(SE.getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2013     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2014     break;
2015   }
2016   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
2017     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
2018     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(SE.getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2019     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2020     break;
2021   }
2022   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
2023     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, true);
2024     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2025     break;
2026   }
2027   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
2028     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(SE.getNotSCEV(LHS),
2029                                      SE.getNotSCEV(RHS), L, true);
2030     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2031     break;
2032   }
2033   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
2034     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, false);
2035     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2036     break;
2037   }
2038   case ICmpInst::ICMP_UGT: {
2039     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(SE.getNotSCEV(LHS),
2040                                      SE.getNotSCEV(RHS), L, false);
2041     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2042     break;
2043   }
2044   default:
2045 #if 0
2046     cerr << "ComputeIterationCount ";
2047     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
2048       cerr << "[unsigned] ";
2049     cerr << *LHS << "   "
2050          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
2051          << "   " << *RHS << "\n";
2052 #endif
2053     break;
2054   }
2055   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
2056                                        ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2057 }
2058
2059 static ConstantInt *
2060 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ConstantInt *C,
2061                                 ScalarEvolution &SE) {
2062   SCEVHandle InVal = SE.getConstant(C);
2063   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal, SE);
2064   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
2065          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
2066   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
2067 }
2068
2069 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
2070 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
2071 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
2072 /// invalid.
2073 static Constant *
2074 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
2075                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
2076   Constant *Init = GV->getInitializer();
2077   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
2078     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
2079     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
2080       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
2081       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
2082     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
2083       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
2084       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
2085     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
2086       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2087         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
2088         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
2089       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
2090         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
2091         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
2092       } else {
2093         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
2094       }
2095       return 0;
2096     } else {
2097       return 0; // Unknown initializer type
2098     }
2099   }
2100   return Init;
2101 }
2102
2103 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
2104 /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
2105 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2106 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
2107                                          const Loop *L, 
2108                                          ICmpInst::Predicate predicate) {
2109   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
2110
2111   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
2112   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
2113   if (!GEP) return UnknownValue;
2114
2115   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
2116   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
2117   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
2118   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
2119       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
2120       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
2121     return UnknownValue;
2122
2123   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
2124   Value *VarIdx = 0;
2125   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
2126   unsigned VarIdxNum = 0;
2127   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
2128     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2129       Indexes.push_back(CI);
2130     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2131       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
2132       VarIdx = GEP->getOperand(i);
2133       VarIdxNum = i-2;
2134       Indexes.push_back(0);
2135     }
2136
2137   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
2138   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
2139   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
2140   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
2141   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
2142
2143   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
2144   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
2145   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
2146   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
2147       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
2148       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
2149     return UnknownValue;
2150
2151   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
2152   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
2153     ConstantInt *ItCst =
2154       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
2155     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst, SE);
2156
2157     // Form the GEP offset.
2158     Indexes[VarIdxNum] = Val;
2159
2160     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
2161     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
2162
2163     // Evaluate the condition for this iteration.
2164     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
2165     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
2166     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
2167 #if 0
2168       cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
2169            << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
2170            << "***\n";
2171 #endif
2172       ++NumArrayLenItCounts;
2173       return SE.getConstant(ItCst);   // Found terminating iteration!
2174     }
2175   }
2176   return UnknownValue;
2177 }
2178
2179
2180 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
2181 /// specified type, assuming that all operands were constants.
2182 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
2183   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2184       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
2185     return true;
2186
2187   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
2188     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
2189       return canConstantFoldCallTo(F);
2190   return false;
2191 }
2192
2193 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
2194 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
2195 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
2196 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
2197 /// constraints, return null.
2198 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
2199   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
2200   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
2201   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
2202   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
2203
2204   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
2205     if (L->getHeader() == I->getParent())
2206       return PN;
2207     else
2208       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
2209       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
2210       return 0;
2211   }
2212
2213   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
2214   // are constants, return early.
2215   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
2216
2217   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
2218   // constant or derived from a PHI node themselves.
2219   PHINode *PHI = 0;
2220   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
2221     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
2222           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
2223       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
2224       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
2225       if (PHI == 0)
2226         PHI = P;
2227       else if (PHI != P)
2228         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
2229     }
2230
2231   // This is a expression evolving from a constant PHI!
2232   return PHI;
2233 }
2234
2235 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
2236 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
2237 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
2238 /// reason, return null.
2239 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
2240   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
2241   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
2242   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
2243
2244   std::vector<Constant*> Operands;
2245   Operands.resize(I->getNumOperands());
2246
2247   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2248     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
2249     if (Operands[i] == 0) return 0;
2250   }
2251
2252   if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2253     return ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2254                                            &Operands[0], Operands.size());
2255   else
2256     return ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2257                                     &Operands[0], Operands.size());
2258 }
2259
2260 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
2261 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
2262 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
2263 /// involving constants, fold it.
2264 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
2265 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its, const Loop *L){
2266   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
2267     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
2268   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
2269     return I->second;
2270
2271   if (Its.ugt(APInt(Its.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
2272     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
2273
2274   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
2275
2276   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2277   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2278   // second must be derived from the same PHI.
2279   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2280   Constant *StartCST =
2281     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2282   if (StartCST == 0)
2283     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
2284
2285   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2286   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2287   if (PN2 != PN)
2288     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
2289
2290   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
2291   if (Its.getActiveBits() >= 32)
2292     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
2293
2294   unsigned NumIterations = Its.getZExtValue(); // must be in range
2295   unsigned IterationNum = 0;
2296   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
2297     if (IterationNum == NumIterations)
2298       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
2299
2300     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2301     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2302     if (NextPHI == PHIVal)
2303       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
2304     if (NextPHI == 0)
2305       return 0;        // Couldn't evaluate!
2306     PHIVal = NextPHI;
2307   }
2308 }
2309
2310 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
2311 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
2312 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
2313 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
2314 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
2315 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2316 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
2317   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
2318   if (PN == 0) return UnknownValue;
2319
2320   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2321   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2322   // second must be derived from the same PHI.
2323   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2324   Constant *StartCST =
2325     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2326   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
2327
2328   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2329   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2330   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
2331
2332   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
2333   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
2334   // "ExitWhen".
2335   unsigned IterationNum = 0;
2336   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
2337   for (Constant *PHIVal = StartCST;
2338        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
2339     ConstantInt *CondVal =
2340       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
2341
2342     // Couldn't symbolically evaluate.
2343     if (!CondVal) return UnknownValue;
2344
2345     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
2346       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
2347       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
2348       return SE.getConstant(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
2349     }
2350
2351     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2352     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2353     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
2354       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
2355     PHIVal = NextPHI;
2356   }
2357
2358   // Too many iterations were needed to evaluate.
2359   return UnknownValue;
2360 }
2361
2362 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
2363 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
2364 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
2365 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
2366   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
2367
2368   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
2369
2370   // If this instruction is evolved from a constant-evolving PHI, compute the
2371   // exit value from the loop without using SCEVs.
2372   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
2373     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
2374       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
2375       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
2376         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
2377           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
2378             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
2379             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
2380             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
2381             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
2382             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
2383               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
2384               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
2385               // the specified iteration number.
2386               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
2387                                                     ICC->getValue()->getValue(),
2388                                                                LI);
2389               if (RV) return SE.getUnknown(RV);
2390             }
2391           }
2392
2393       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
2394       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
2395       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
2396       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
2397       if (CanConstantFold(I)) {
2398         std::vector<Constant*> Operands;
2399         Operands.reserve(I->getNumOperands());
2400         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2401           Value *Op = I->getOperand(i);
2402           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
2403             Operands.push_back(C);
2404           } else {
2405             // If any of the operands is non-constant and if they are
2406             // non-integer, don't even try to analyze them with scev techniques.
2407             if (!isa<IntegerType>(Op->getType()))
2408               return V;
2409               
2410             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
2411             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
2412               Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(SC->getValue(), 
2413                                                               Op->getType(), 
2414                                                               false));
2415             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
2416               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
2417                 Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(C, 
2418                                                                 Op->getType(), 
2419                                                                 false));
2420               else
2421                 return V;
2422             } else {
2423               return V;
2424             }
2425           }
2426         }
2427         
2428         Constant *C;
2429         if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2430           C = ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2431                                               &Operands[0], Operands.size());
2432         else
2433           C = ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2434                                        &Operands[0], Operands.size());
2435         return SE.getUnknown(C);
2436       }
2437     }
2438
2439     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
2440     return V;
2441   }
2442
2443   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
2444     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
2445     // expression has no loop-variant portions.
2446     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2447       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2448       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2449         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2450         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2451         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2452         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2453         NewOps.push_back(OpAtScope);
2454
2455         for (++i; i != e; ++i) {
2456           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2457           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2458           NewOps.push_back(OpAtScope);
2459         }
2460         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2461           return SE.getAddExpr(NewOps);
2462         if (isa<SCEVMulExpr>(Comm))
2463           return SE.getMulExpr(NewOps);
2464         if (isa<SCEVSMaxExpr>(Comm))
2465           return SE.getSMaxExpr(NewOps);
2466         if (isa<SCEVUMaxExpr>(Comm))
2467           return SE.getUMaxExpr(NewOps);
2468         assert(0 && "Unknown commutative SCEV type!");
2469       }
2470     }
2471     // If we got here, all operands are loop invariant.
2472     return Comm;
2473   }
2474
2475   if (SCEVUDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
2476     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2477     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2478     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2479     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2480     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2481       return Div;   // must be loop invariant
2482     return SE.getUDivExpr(LHS, RHS);
2483   }
2484
2485   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2486   // are dealing with the final value computed by the loop.
2487   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2488     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2489       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2490       // loop iterates.  Compute this now.
2491       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
2492       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2493
2494       // Then, evaluate the AddRec.
2495       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount, SE);
2496     }
2497     return UnknownValue;
2498   }
2499
2500   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2501   return UnknownValue;
2502 }
2503
2504 /// SolveLinEquationWithOverflow - Finds the minimum unsigned root of the
2505 /// following equation:
2506 ///
2507 ///     A * X = B (mod N)
2508 ///
2509 /// where N = 2^BW and BW is the common bit width of A and B. The signedness of
2510 /// A and B isn't important.
2511 ///
2512 /// If the equation does not have a solution, SCEVCouldNotCompute is returned.
2513 static SCEVHandle SolveLinEquationWithOverflow(const APInt &A, const APInt &B,
2514                                                ScalarEvolution &SE) {
2515   uint32_t BW = A.getBitWidth();
2516   assert(BW == B.getBitWidth() && "Bit widths must be the same.");
2517   assert(A != 0 && "A must be non-zero.");
2518
2519   // 1. D = gcd(A, N)
2520   //
2521   // The gcd of A and N may have only one prime factor: 2. The number of
2522   // trailing zeros in A is its multiplicity
2523   uint32_t Mult2 = A.countTrailingZeros();
2524   // D = 2^Mult2
2525
2526   // 2. Check if B is divisible by D.
2527   //
2528   // B is divisible by D if and only if the multiplicity of prime factor 2 for B
2529   // is not less than multiplicity of this prime factor for D.
2530   if (B.countTrailingZeros() < Mult2)
2531     return new SCEVCouldNotCompute();
2532
2533   // 3. Compute I: the multiplicative inverse of (A / D) in arithmetic
2534   // modulo (N / D).
2535   //
2536   // (N / D) may need BW+1 bits in its representation.  Hence, we'll use this
2537   // bit width during computations.
2538   APInt AD = A.lshr(Mult2).zext(BW + 1);  // AD = A / D
2539   APInt Mod(BW + 1, 0);
2540   Mod.set(BW - Mult2);  // Mod = N / D
2541   APInt I = AD.multiplicativeInverse(Mod);
2542
2543   // 4. Compute the minimum unsigned root of the equation:
2544   // I * (B / D) mod (N / D)
2545   APInt Result = (I * B.lshr(Mult2).zext(BW + 1)).urem(Mod);
2546
2547   // The result is guaranteed to be less than 2^BW so we may truncate it to BW
2548   // bits.
2549   return SE.getConstant(Result.trunc(BW));
2550 }
2551
2552 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2553 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2554 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2555 ///
2556 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2557 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ScalarEvolution &SE) {
2558   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2559   SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2560   SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2561   SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2562
2563   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2564   if (!LC || !MC || !NC) {
2565     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2566     return std::make_pair(CNC, CNC);
2567   }
2568
2569   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2570   const APInt &L = LC->getValue()->getValue();
2571   const APInt &M = MC->getValue()->getValue();
2572   const APInt &N = NC->getValue()->getValue();
2573   APInt Two(BitWidth, 2);
2574   APInt Four(BitWidth, 4);
2575
2576   { 
2577     using namespace APIntOps;
2578     const APInt& C = L;
2579     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2580     // The B coefficient is M-N/2
2581     APInt B(M);
2582     B -= sdiv(N,Two);
2583
2584     // The A coefficient is N/2
2585     APInt A(N.sdiv(Two));
2586
2587     // Compute the B^2-4ac term.
2588     APInt SqrtTerm(B);
2589     SqrtTerm *= B;
2590     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2591
2592     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2593     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2594     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2595
2596     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2597     // The divisions must be performed as signed divisions.
2598     APInt NegB(-B);
2599     APInt TwoA( A << 1 );
2600     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2601     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2602
2603     return std::make_pair(SE.getConstant(Solution1), 
2604                           SE.getConstant(Solution2));
2605     } // end APIntOps namespace
2606 }
2607
2608 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2609 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2610 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2611   // If the value is a constant
2612   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2613     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2614     if (C->getValue()->isZero()) return C;
2615     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2616   }
2617
2618   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2619   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2620     return UnknownValue;
2621
2622   if (AddRec->isAffine()) {
2623     // If this is an affine expression, the execution count of this branch is
2624     // the minimum unsigned root of the following equation:
2625     //
2626     //     Start + Step*N = 0 (mod 2^BW)
2627     //
2628     // equivalent to:
2629     //
2630     //             Step*N = -Start (mod 2^BW)
2631     //
2632     // where BW is the common bit width of Start and Step.
2633
2634     // Get the initial value for the loop.
2635     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2636     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2637
2638     SCEVHandle Step = getSCEVAtScope(AddRec->getOperand(1), L->getParentLoop());
2639
2640     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2641       // For now we handle only constant steps.
2642
2643       // First, handle unitary steps.
2644       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // 1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2645         return SE.getNegativeSCEV(Start);       //   N = -Start (as unsigned)
2646       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // -1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2647         return Start;                           //    N = Start (as unsigned)
2648
2649       // Then, try to solve the above equation provided that Start is constant.
2650       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start))
2651         return SolveLinEquationWithOverflow(StepC->getValue()->getValue(),
2652                                             -StartC->getValue()->getValue(),SE);
2653     }
2654   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2655     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2656     // the quadratic equation to solve it.
2657     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec, SE);
2658     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2659     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2660     if (R1) {
2661 #if 0
2662       cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2663            << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2664 #endif
2665       // Pick the smallest positive root value.
2666       if (ConstantInt *CB =
2667           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2668                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2669         if (CB->getZExtValue() == false)
2670           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2671
2672         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2673         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2674         // should not accept a root of 2.
2675         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1, SE);
2676         if (Val->isZero())
2677           return R1;  // We found a quadratic root!
2678       }
2679     }
2680   }
2681
2682   return UnknownValue;
2683 }
2684
2685 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2686 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2687 /// UnknownValue
2688 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2689   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2690   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2691   // future as needed.
2692
2693   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2694   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2695   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2696     if (!C->getValue()->isNullValue())
2697       return SE.getIntegerSCEV(0, C->getType());
2698     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2699   }
2700
2701   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2702   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2703   return UnknownValue;
2704 }
2705
2706 /// executesAtLeastOnce - Test whether entry to the loop is protected by
2707 /// a conditional between LHS and RHS.
2708 bool ScalarEvolutionsImpl::executesAtLeastOnce(const Loop *L, bool isSigned,
2709                                                SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
2710   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
2711   BasicBlock *PreheaderDest = L->getHeader();
2712   if (Preheader == 0) return false;
2713
2714   BranchInst *LoopEntryPredicate =
2715     dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2716   if (!LoopEntryPredicate) return false;
2717
2718   // This might be a critical edge broken out.  If the loop preheader ends in
2719   // an unconditional branch to the loop, check to see if the preheader has a
2720   // single predecessor, and if so, look for its terminator.
2721   while (LoopEntryPredicate->isUnconditional()) {
2722     PreheaderDest = Preheader;
2723     Preheader = Preheader->getSinglePredecessor();
2724     if (!Preheader) return false;  // Multiple preds.
2725     
2726     LoopEntryPredicate =
2727       dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2728     if (!LoopEntryPredicate) return false;
2729   }
2730
2731   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoopEntryPredicate->getCondition());
2732   if (!ICI) return false;
2733
2734   // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
2735   // see if it is the comparison we are looking for.
2736   Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
2737   Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
2738   ICmpInst::Predicate Cond;
2739   if (LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) == PreheaderDest)
2740     Cond = ICI->getPredicate();
2741   else
2742     Cond = ICI->getInversePredicate();
2743
2744   switch (Cond) {
2745   case ICmpInst::ICMP_UGT:
2746     if (isSigned) return false;
2747     std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2748     Cond = ICmpInst::ICMP_ULT;
2749     break;
2750   case ICmpInst::ICMP_SGT:
2751     if (!isSigned) return false;
2752     std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2753     Cond = ICmpInst::ICMP_SLT;
2754     break;
2755   case ICmpInst::ICMP_ULT:
2756     if (isSigned) return false;
2757     break;
2758   case ICmpInst::ICMP_SLT:
2759     if (!isSigned) return false;
2760     break;
2761   default:
2762     return false;
2763   }
2764
2765   if (!PreCondLHS->getType()->isInteger()) return false;
2766
2767   SCEVHandle PreCondLHSSCEV = getSCEV(PreCondLHS);
2768   SCEVHandle PreCondRHSSCEV = getSCEV(PreCondRHS);
2769   return (LHS == PreCondLHSSCEV && RHS == PreCondRHSSCEV) ||
2770          (LHS == SE.getNotSCEV(PreCondRHSSCEV) &&
2771           RHS == SE.getNotSCEV(PreCondLHSSCEV));
2772 }
2773
2774 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
2775 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
2776 /// UnknownValue.
2777 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2778 HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L, bool isSigned) {
2779   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
2780   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
2781
2782   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
2783   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2784     return UnknownValue;
2785
2786   if (AddRec->isAffine()) {
2787     // FORNOW: We only support unit strides.
2788     SCEVHandle One = SE.getIntegerSCEV(1, RHS->getType());
2789     if (AddRec->getOperand(1) != One)
2790       return UnknownValue;
2791
2792     // We know the LHS is of the form {n,+,1} and the RHS is some loop-invariant
2793     // m.  So, we count the number of iterations in which {n,+,1} < m is true.
2794     // Note that we cannot simply return max(m-n,0) because it's not safe to
2795     // treat m-n as signed nor unsigned due to overflow possibility.
2796
2797     // First, we get the value of the LHS in the first iteration: n
2798     SCEVHandle Start = AddRec->getOperand(0);
2799
2800     if (executesAtLeastOnce(L, isSigned,
2801                             SE.getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0), One), RHS)) {
2802       // Since we know that the condition is true in order to enter the loop,
2803       // we know that it will run exactly m-n times.
2804       return SE.getMinusSCEV(RHS, Start);
2805     } else {
2806       // Then, we get the value of the LHS in the first iteration in which the
2807       // above condition doesn't hold.  This equals to max(m,n).
2808       SCEVHandle End = isSigned ? SE.getSMaxExpr(RHS, Start)
2809                                 : SE.getUMaxExpr(RHS, Start);
2810
2811       // Finally, we subtract these two values to get the number of times the
2812       // backedge is executed: max(m,n)-n.
2813       return SE.getMinusSCEV(End, Start);
2814     }
2815   }
2816
2817   return UnknownValue;
2818 }
2819
2820 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2821 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2822 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2823 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2824 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2825 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range,
2826                                                    ScalarEvolution &SE) const {
2827   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2828     return new SCEVCouldNotCompute();
2829
2830   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2831   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2832     if (!SC->getValue()->isZero()) {
2833       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2834       Operands[0] = SE.getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2835       SCEVHandle Shifted = SE.getAddRecExpr(Operands, getLoop());
2836       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2837         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2838                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()), SE);
2839       // This is strange and shouldn't happen.
2840       return new SCEVCouldNotCompute();
2841     }
2842
2843   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2844   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2845   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2846     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2847       return new SCEVCouldNotCompute();
2848
2849
2850   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2851   // that the start element is zero.
2852
2853   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2854   // iteration exits.
2855   if (!Range.contains(APInt(getBitWidth(),0))) 
2856     return SE.getConstant(ConstantInt::get(getType(),0));
2857
2858   if (isAffine()) {
2859     // If this is an affine expression then we have this situation:
2860     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2861
2862     // We know that zero is in the range.  If A is positive then we know that
2863     // the upper value of the range must be the first possible exit value.
2864     // If A is negative then the lower of the range is the last possible loop
2865     // value.  Also note that we already checked for a full range.
2866     APInt One(getBitWidth(),1);
2867     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
2868     APInt End = A.sge(One) ? (Range.getUpper() - One) : Range.getLower();
2869
2870     // The exit value should be (End+A)/A.
2871     APInt ExitVal = (End + A).udiv(A);
2872     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(ExitVal);
2873
2874     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2875     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2876     // things must have happened.
2877     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue, SE);
2878     if (Range.contains(Val->getValue()))
2879       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2880
2881     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2882     assert(Range.contains(
2883            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
2884            ConstantInt::get(ExitVal - One), SE)->getValue()) &&
2885            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2886     return SE.getConstant(ExitValue);
2887   } else if (isQuadratic()) {
2888     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2889     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2890     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2891     // Range.getUpper() is crossed.
2892     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2893     NewOps[0] = SE.getNegativeSCEV(SE.getConstant(Range.getUpper()));
2894     SCEVHandle NewAddRec = SE.getAddRecExpr(NewOps, getLoop());
2895
2896     // Next, solve the constructed addrec
2897     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2898       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec), SE);
2899     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2900     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2901     if (R1) {
2902       // Pick the smallest positive root value.
2903       if (ConstantInt *CB =
2904           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2905                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2906         if (CB->getZExtValue() == false)
2907           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2908
2909         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2910         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2911         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2912         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2913                                                              R1->getValue(),
2914                                                              SE);
2915         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
2916           // The next iteration must be out of the range...
2917           ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()+1);
2918
2919           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
2920           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
2921             return SE.getConstant(NextVal);
2922           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2923         }
2924
2925         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2926         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2927         ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()-1);
2928         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
2929         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
2930           return R1;
2931         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2932       }
2933     }
2934   }
2935
2936   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2937   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2938   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2939   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2940   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2941   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2942   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2943   do {
2944     ++NumBruteForceEvaluations;
2945     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SE.getConstant(TestVal), SE);
2946     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2947       return new SCEVCouldNotCompute();
2948
2949     // Check to see if we found the value!
2950     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()->getValue()))
2951       return SE.getConstant(TestVal);
2952
2953     // Increment to test the next index.
2954     TestVal = ConstantInt::get(TestVal->getValue()+1);
2955   } while (TestVal != EndVal);
2956
2957   return new SCEVCouldNotCompute();
2958 }
2959
2960
2961
2962 //===----------------------------------------------------------------------===//
2963 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2964 //===----------------------------------------------------------------------===//
2965
2966 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2967   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(*this, F, getAnalysis<LoopInfo>());
2968   return false;
2969 }
2970
2971 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2972   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2973   Impl = 0;
2974 }
2975
2976 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2977   AU.setPreservesAll();
2978   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2979 }
2980
2981 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2982   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2983 }
2984
2985 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
2986 /// computed.
2987 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
2988   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->hasSCEV(V);
2989 }
2990
2991
2992 /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
2993 /// the specified value.
2994 void ScalarEvolution::setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
2995   ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->setSCEV(V, H);
2996 }
2997
2998
2999 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
3000   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
3001 }
3002
3003 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
3004   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
3005 }
3006
3007 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
3008   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
3009 }
3010
3011 void ScalarEvolution::deleteValueFromRecords(Value *V) const {
3012   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteValueFromRecords(V);
3013 }
3014
3015 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE,
3016                           const Loop *L) {
3017   // Print all inner loops first
3018   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
3019     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
3020
3021   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
3022
3023   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
3024   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
3025   if (ExitBlocks.size() != 1)
3026     OS << "<multiple exits> ";
3027
3028   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
3029     OS << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
3030   } else {
3031     OS << "Unpredictable iteration count. ";
3032   }
3033
3034   OS << "\n";
3035 }
3036
3037 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS, const Module* ) const {
3038   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
3039   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
3040
3041   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
3042   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
3043     if (I->getType()->isInteger()) {
3044       OS << *I;
3045       OS << "  --> ";
3046       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
3047       SV->print(OS);
3048       OS << "\t\t";
3049
3050       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
3051         OS << "Exits: ";
3052         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
3053         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
3054           OS << "<<Unknown>>";
3055         } else {
3056           OS << *ExitValue;
3057         }
3058       }
3059
3060
3061       OS << "\n";
3062     }
3063
3064   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
3065   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
3066     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
3067 }