hasSCEV() was declared in ScalarEvolution.h, but never defined. This must have
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains the implementation of the scalar evolution analysis
11 // engine, which is used primarily to analyze expressions involving induction
12 // variables in loops.
13 //
14 // There are several aspects to this library.  First is the representation of
15 // scalar expressions, which are represented as subclasses of the SCEV class.
16 // These classes are used to represent certain types of subexpressions that we
17 // can handle.  These classes are reference counted, managed by the SCEVHandle
18 // class.  We only create one SCEV of a particular shape, so pointer-comparisons
19 // for equality are legal.
20 //
21 // One important aspect of the SCEV objects is that they are never cyclic, even
22 // if there is a cycle in the dataflow for an expression (ie, a PHI node).  If
23 // the PHI node is one of the idioms that we can represent (e.g., a polynomial
24 // recurrence) then we represent it directly as a recurrence node, otherwise we
25 // represent it as a SCEVUnknown node.
26 //
27 // In addition to being able to represent expressions of various types, we also
28 // have folders that are used to build the *canonical* representation for a
29 // particular expression.  These folders are capable of using a variety of
30 // rewrite rules to simplify the expressions.
31 //
32 // Once the folders are defined, we can implement the more interesting
33 // higher-level code, such as the code that recognizes PHI nodes of various
34 // types, computes the execution count of a loop, etc.
35 //
36 // TODO: We should use these routines and value representations to implement
37 // dependence analysis!
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40 //
41 // There are several good references for the techniques used in this analysis.
42 //
43 //  Chains of recurrences -- a method to expedite the evaluation
44 //  of closed-form functions
45 //  Olaf Bachmann, Paul S. Wang, Eugene V. Zima
46 //
47 //  On computational properties of chains of recurrences
48 //  Eugene V. Zima
49 //
50 //  Symbolic Evaluation of Chains of Recurrences for Loop Optimization
51 //  Robert A. van Engelen
52 //
53 //  Efficient Symbolic Analysis for Optimizing Compilers
54 //  Robert A. van Engelen
55 //
56 //  Using the chains of recurrences algebra for data dependence testing and
57 //  induction variable substitution
58 //  MS Thesis, Johnie Birch
59 //
60 //===----------------------------------------------------------------------===//
61
62 #define DEBUG_TYPE "scalar-evolution"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Constants.h"
65 #include "llvm/DerivedTypes.h"
66 #include "llvm/GlobalVariable.h"
67 #include "llvm/Instructions.h"
68 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
69 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
70 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
71 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
72 #include "llvm/Target/TargetData.h"
73 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
74 #include "llvm/Support/CFG.h"
75 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
76 #include "llvm/Support/Compiler.h"
77 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
78 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
79 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
80 #include "llvm/Support/ManagedStatic.h"
81 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
82 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
83 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
84 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
85 #include <ostream>
86 #include <algorithm>
87 #include <cmath>
88 using namespace llvm;
89
90 STATISTIC(NumArrayLenItCounts,
91           "Number of trip counts computed with array length");
92 STATISTIC(NumTripCountsComputed,
93           "Number of loops with predictable loop counts");
94 STATISTIC(NumTripCountsNotComputed,
95           "Number of loops without predictable loop counts");
96 STATISTIC(NumBruteForceTripCountsComputed,
97           "Number of loops with trip counts computed by force");
98
99 static cl::opt<unsigned>
100 MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
101                         cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will "
102                                  "symbolically execute a constant derived loop"),
103                         cl::init(100));
104
105 static RegisterPass<ScalarEvolution>
106 R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis", false, true);
107 char ScalarEvolution::ID = 0;
108
109 //===----------------------------------------------------------------------===//
110 //                           SCEV class definitions
111 //===----------------------------------------------------------------------===//
112
113 //===----------------------------------------------------------------------===//
114 // Implementation of the SCEV class.
115 //
116 SCEV::~SCEV() {}
117 void SCEV::dump() const {
118   print(errs());
119   errs() << '\n';
120 }
121
122 void SCEV::print(std::ostream &o) const {
123   raw_os_ostream OS(o);
124   print(OS);
125 }
126
127 bool SCEV::isZero() const {
128   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
129     return SC->getValue()->isZero();
130   return false;
131 }
132
133
134 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
135 SCEVCouldNotCompute::~SCEVCouldNotCompute() {}
136
137 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
138   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
139   return false;
140 }
141
142 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
143   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
144   return 0;
145 }
146
147 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
148   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
149   return false;
150 }
151
152 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
153 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
154                                   const SCEVHandle &Conc,
155                                   ScalarEvolution &SE) const {
156   return this;
157 }
158
159 void SCEVCouldNotCompute::print(raw_ostream &OS) const {
160   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
161 }
162
163 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
164   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
165 }
166
167
168 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
169 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
170 // never be deleted!
171 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
172
173
174 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
175   SCEVConstants->erase(V);
176 }
177
178 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(ConstantInt *V) {
179   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
180   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
181   return R;
182 }
183
184 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(const APInt& Val) {
185   return getConstant(ConstantInt::get(Val));
186 }
187
188 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
189
190 void SCEVConstant::print(raw_ostream &OS) const {
191   WriteAsOperand(OS, V, false);
192 }
193
194 SCEVCastExpr::SCEVCastExpr(unsigned SCEVTy,
195                            const SCEVHandle &op, const Type *ty)
196   : SCEV(SCEVTy), Op(op), Ty(ty) {}
197
198 SCEVCastExpr::~SCEVCastExpr() {}
199
200 bool SCEVCastExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
201   return Op->dominates(BB, DT);
202 }
203
204 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
205 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
206 // never be deleted!
207 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, 
208                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
209
210 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
211   : SCEVCastExpr(scTruncate, op, ty) {
212   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
213          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
214          "Cannot truncate non-integer value!");
215 }
216
217 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
218   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
219 }
220
221 void SCEVTruncateExpr::print(raw_ostream &OS) const {
222   OS << "(trunc " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
223 }
224
225 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
226 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
227 // be deleted!
228 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
229                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
230
231 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
232   : SCEVCastExpr(scZeroExtend, op, ty) {
233   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
234          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
235          "Cannot zero extend non-integer value!");
236 }
237
238 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
239   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
240 }
241
242 void SCEVZeroExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
243   OS << "(zext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
244 }
245
246 // SCEVSignExtends - Only allow the creation of one SCEVSignExtendExpr for any
247 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
248 // be deleted!
249 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
250                      SCEVSignExtendExpr*> > SCEVSignExtends;
251
252 SCEVSignExtendExpr::SCEVSignExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
253   : SCEVCastExpr(scSignExtend, op, ty) {
254   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
255          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
256          "Cannot sign extend non-integer value!");
257 }
258
259 SCEVSignExtendExpr::~SCEVSignExtendExpr() {
260   SCEVSignExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
261 }
262
263 void SCEVSignExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
264   OS << "(sext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
265 }
266
267 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
268 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
269 // be deleted!
270 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
271                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
272
273 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
274   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(),
275                                       std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
276                                                          Operands.end())));
277 }
278
279 void SCEVCommutativeExpr::print(raw_ostream &OS) const {
280   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
281   const char *OpStr = getOperationStr();
282   OS << "(" << *Operands[0];
283   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
284     OS << OpStr << *Operands[i];
285   OS << ")";
286 }
287
288 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
289 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
290                                   const SCEVHandle &Conc,
291                                   ScalarEvolution &SE) const {
292   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
293     SCEVHandle H =
294       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
295     if (H != getOperand(i)) {
296       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
297       NewOps.reserve(getNumOperands());
298       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
299         NewOps.push_back(getOperand(j));
300       NewOps.push_back(H);
301       for (++i; i != e; ++i)
302         NewOps.push_back(getOperand(i)->
303                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
304
305       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
306         return SE.getAddExpr(NewOps);
307       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
308         return SE.getMulExpr(NewOps);
309       else if (isa<SCEVSMaxExpr>(this))
310         return SE.getSMaxExpr(NewOps);
311       else if (isa<SCEVUMaxExpr>(this))
312         return SE.getUMaxExpr(NewOps);
313       else
314         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
315     }
316   }
317   return this;
318 }
319
320 bool SCEVCommutativeExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
321   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
322     if (!getOperand(i)->dominates(BB, DT))
323       return false;
324   }
325   return true;
326 }
327
328
329 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
330 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
331 // deleted!
332 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, 
333                      SCEVUDivExpr*> > SCEVUDivs;
334
335 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
336   SCEVUDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
337 }
338
339 bool SCEVUDivExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
340   return LHS->dominates(BB, DT) && RHS->dominates(BB, DT);
341 }
342
343 void SCEVUDivExpr::print(raw_ostream &OS) const {
344   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
345 }
346
347 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
348   return LHS->getType();
349 }
350
351 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
352 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
353 // be deleted!
354 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
355                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
356
357 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
358   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L,
359                                         std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
360                                                            Operands.end())));
361 }
362
363 bool SCEVAddRecExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
364   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
365     if (!getOperand(i)->dominates(BB, DT))
366       return false;
367   }
368   return true;
369 }
370
371
372 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
373 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
374                                   const SCEVHandle &Conc,
375                                   ScalarEvolution &SE) const {
376   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
377     SCEVHandle H =
378       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
379     if (H != getOperand(i)) {
380       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
381       NewOps.reserve(getNumOperands());
382       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
383         NewOps.push_back(getOperand(j));
384       NewOps.push_back(H);
385       for (++i; i != e; ++i)
386         NewOps.push_back(getOperand(i)->
387                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
388
389       return SE.getAddRecExpr(NewOps, L);
390     }
391   }
392   return this;
393 }
394
395
396 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
397   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
398   // contain L and if the start is invariant.
399   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
400          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
401 }
402
403
404 void SCEVAddRecExpr::print(raw_ostream &OS) const {
405   OS << "{" << *Operands[0];
406   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
407     OS << ",+," << *Operands[i];
408   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
409 }
410
411 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
412 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
413 // deleted!
414 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
415
416 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
417
418 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
419   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
420   // invariant if they are not contained in the specified loop.
421   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
422     return !L->contains(I->getParent());
423   return true;
424 }
425
426 bool SCEVUnknown::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
427   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(getValue()))
428     return DT->dominates(I->getParent(), BB);
429   return true;
430 }
431
432 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
433   return V->getType();
434 }
435
436 void SCEVUnknown::print(raw_ostream &OS) const {
437   if (isa<PointerType>(V->getType()))
438     OS << "(ptrtoint " << *V->getType() << " ";
439   WriteAsOperand(OS, V, false);
440   if (isa<PointerType>(V->getType()))
441     OS << " to iPTR)";
442 }
443
444 //===----------------------------------------------------------------------===//
445 //                               SCEV Utilities
446 //===----------------------------------------------------------------------===//
447
448 namespace {
449   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
450   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
451   /// expressions.
452   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
453     bool operator()(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) const {
454       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
455     }
456   };
457 }
458
459 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
460 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
461 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
462 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
463 ///
464 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
465 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
466 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
467 /// land in memory.
468 ///
469 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
470   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
471   if (Ops.size() == 2) {
472     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
473     // Special case it.
474     if (SCEVComplexityCompare()(Ops[1], Ops[0]))
475       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
476     return;
477   }
478
479   // Do the rough sort by complexity.
480   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
481
482   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
483   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
484   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
485   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
486   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
487     SCEV *S = Ops[i];
488     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
489
490     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
491     // one, group them.
492     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
493       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
494         // Move it to immediately after i'th element.
495         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
496         ++i;   // no need to rescan it.
497         if (i == e-2) return;  // Done!
498       }
499     }
500   }
501 }
502
503
504
505 //===----------------------------------------------------------------------===//
506 //                      Simple SCEV method implementations
507 //===----------------------------------------------------------------------===//
508
509 /// BinomialCoefficient - Compute BC(It, K).  The result has width W.
510 // Assume, K > 0.
511 static SCEVHandle BinomialCoefficient(SCEVHandle It, unsigned K,
512                                       ScalarEvolution &SE,
513                                       const Type* ResultTy) {
514   // Handle the simplest case efficiently.
515   if (K == 1)
516     return SE.getTruncateOrZeroExtend(It, ResultTy);
517
518   // We are using the following formula for BC(It, K):
519   //
520   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / K!
521   //
522   // Suppose, W is the bitwidth of the return value.  We must be prepared for
523   // overflow.  Hence, we must assure that the result of our computation is
524   // equal to the accurate one modulo 2^W.  Unfortunately, division isn't
525   // safe in modular arithmetic.
526   //
527   // However, this code doesn't use exactly that formula; the formula it uses
528   // is something like the following, where T is the number of factors of 2 in 
529   // K! (i.e. trailing zeros in the binary representation of K!), and ^ is
530   // exponentiation:
531   //
532   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / 2^T / (K! / 2^T)
533   //
534   // This formula is trivially equivalent to the previous formula.  However,
535   // this formula can be implemented much more efficiently.  The trick is that
536   // K! / 2^T is odd, and exact division by an odd number *is* safe in modular
537   // arithmetic.  To do exact division in modular arithmetic, all we have
538   // to do is multiply by the inverse.  Therefore, this step can be done at
539   // width W.
540   // 
541   // The next issue is how to safely do the division by 2^T.  The way this
542   // is done is by doing the multiplication step at a width of at least W + T
543   // bits.  This way, the bottom W+T bits of the product are accurate. Then,
544   // when we perform the division by 2^T (which is equivalent to a right shift
545   // by T), the bottom W bits are accurate.  Extra bits are okay; they'll get
546   // truncated out after the division by 2^T.
547   //
548   // In comparison to just directly using the first formula, this technique
549   // is much more efficient; using the first formula requires W * K bits,
550   // but this formula less than W + K bits. Also, the first formula requires
551   // a division step, whereas this formula only requires multiplies and shifts.
552   //
553   // It doesn't matter whether the subtraction step is done in the calculation
554   // width or the input iteration count's width; if the subtraction overflows,
555   // the result must be zero anyway.  We prefer here to do it in the width of
556   // the induction variable because it helps a lot for certain cases; CodeGen
557   // isn't smart enough to ignore the overflow, which leads to much less
558   // efficient code if the width of the subtraction is wider than the native
559   // register width.
560   //
561   // (It's possible to not widen at all by pulling out factors of 2 before
562   // the multiplication; for example, K=2 can be calculated as
563   // It/2*(It+(It*INT_MIN/INT_MIN)+-1). However, it requires
564   // extra arithmetic, so it's not an obvious win, and it gets
565   // much more complicated for K > 3.)
566
567   // Protection from insane SCEVs; this bound is conservative,
568   // but it probably doesn't matter.
569   if (K > 1000)
570     return SE.getCouldNotCompute();
571
572   unsigned W = SE.getTypeSizeInBits(ResultTy);
573
574   // Calculate K! / 2^T and T; we divide out the factors of two before
575   // multiplying for calculating K! / 2^T to avoid overflow.
576   // Other overflow doesn't matter because we only care about the bottom
577   // W bits of the result.
578   APInt OddFactorial(W, 1);
579   unsigned T = 1;
580   for (unsigned i = 3; i <= K; ++i) {
581     APInt Mult(W, i);
582     unsigned TwoFactors = Mult.countTrailingZeros();
583     T += TwoFactors;
584     Mult = Mult.lshr(TwoFactors);
585     OddFactorial *= Mult;
586   }
587
588   // We need at least W + T bits for the multiplication step
589   unsigned CalculationBits = W + T;
590
591   // Calcuate 2^T, at width T+W.
592   APInt DivFactor = APInt(CalculationBits, 1).shl(T);
593
594   // Calculate the multiplicative inverse of K! / 2^T;
595   // this multiplication factor will perform the exact division by
596   // K! / 2^T.
597   APInt Mod = APInt::getSignedMinValue(W+1);
598   APInt MultiplyFactor = OddFactorial.zext(W+1);
599   MultiplyFactor = MultiplyFactor.multiplicativeInverse(Mod);
600   MultiplyFactor = MultiplyFactor.trunc(W);
601
602   // Calculate the product, at width T+W
603   const IntegerType *CalculationTy = IntegerType::get(CalculationBits);
604   SCEVHandle Dividend = SE.getTruncateOrZeroExtend(It, CalculationTy);
605   for (unsigned i = 1; i != K; ++i) {
606     SCEVHandle S = SE.getMinusSCEV(It, SE.getIntegerSCEV(i, It->getType()));
607     Dividend = SE.getMulExpr(Dividend,
608                              SE.getTruncateOrZeroExtend(S, CalculationTy));
609   }
610
611   // Divide by 2^T
612   SCEVHandle DivResult = SE.getUDivExpr(Dividend, SE.getConstant(DivFactor));
613
614   // Truncate the result, and divide by K! / 2^T.
615
616   return SE.getMulExpr(SE.getConstant(MultiplyFactor),
617                        SE.getTruncateOrZeroExtend(DivResult, ResultTy));
618 }
619
620 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
621 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
622 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
623 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
624 ///
625 ///   A*BC(It, 0) + B*BC(It, 1) + C*BC(It, 2) + D*BC(It, 3)
626 ///
627 /// where BC(It, k) stands for binomial coefficient.
628 ///
629 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It,
630                                                ScalarEvolution &SE) const {
631   SCEVHandle Result = getStart();
632   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
633     // The computation is correct in the face of overflow provided that the
634     // multiplication is performed _after_ the evaluation of the binomial
635     // coefficient.
636     SCEVHandle Coeff = BinomialCoefficient(It, i, SE, getType());
637     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Coeff))
638       return Coeff;
639
640     Result = SE.getAddExpr(Result, SE.getMulExpr(getOperand(i), Coeff));
641   }
642   return Result;
643 }
644
645 //===----------------------------------------------------------------------===//
646 //                    SCEV Expression folder implementations
647 //===----------------------------------------------------------------------===//
648
649 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
650   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) > getTypeSizeInBits(Ty) &&
651          "This is not a truncating conversion!");
652
653   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
654     return getUnknown(
655         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
656
657   // trunc(trunc(x)) --> trunc(x)
658   if (SCEVTruncateExpr *ST = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(Op))
659     return getTruncateExpr(ST->getOperand(), Ty);
660
661   // trunc(sext(x)) --> sext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
662   if (SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
663     return getTruncateOrSignExtend(SS->getOperand(), Ty);
664
665   // trunc(zext(x)) --> zext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
666   if (SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
667     return getTruncateOrZeroExtend(SZ->getOperand(), Ty);
668
669   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
670   // all of the constants.
671   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
672     std::vector<SCEVHandle> Operands;
673     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
674       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
675       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
676         Operands.push_back(getTruncateExpr(AddRec->getOperand(i), Ty));
677       else
678         break;
679     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
680       return getAddRecExpr(Operands, AddRec->getLoop());
681   }
682
683   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
684   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
685   return Result;
686 }
687
688 SCEVHandle ScalarEvolution::getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op,
689                                               const Type *Ty) {
690   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
691          "This is not an extending conversion!");
692
693   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
694     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
695     Constant *C = ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), IntTy);
696     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
697     return getUnknown(C);
698   }
699
700   // zext(zext(x)) --> zext(x)
701   if (SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
702     return getZeroExtendExpr(SZ->getOperand(), Ty);
703
704   // 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 zero extend all of the
706   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
707   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
708   if (SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
709     if (AR->isAffine()) {
710       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
711       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
712       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
713       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
714       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
715       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
716       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
717       // that value once it has finished.
718       SCEVHandle MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AR->getLoop());
719       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
720         // Manually compute the final value for AR, checking for
721         // overflow.
722         SCEVHandle Start = AR->getStart();
723         SCEVHandle Step = AR->getStepRecurrence(*this);
724
725         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
726         // the addrec's type. The count is always unsigned.
727         SCEVHandle CastedMaxBECount =
728           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
729         if (MaxBECount ==
730             getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType())) {
731           const Type *WideTy =
732             IntegerType::get(getTypeSizeInBits(Start->getType()) * 2);
733           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no unsigned overflow.
734           SCEVHandle ZMul =
735             getMulExpr(CastedMaxBECount,
736                        getTruncateOrZeroExtend(Step, Start->getType()));
737           SCEVHandle Add = getAddExpr(Start, ZMul);
738           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) ==
739               getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
740                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
741                                     getZeroExtendExpr(Step, WideTy))))
742             // Return the expression with the addrec on the outside.
743             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
744                                  getZeroExtendExpr(Step, Ty),
745                                  AR->getLoop());
746
747           // Similar to above, only this time treat the step value as signed.
748           // This covers loops that count down.
749           SCEVHandle SMul =
750             getMulExpr(CastedMaxBECount,
751                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
752           Add = getAddExpr(Start, SMul);
753           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) ==
754               getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
755                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
756                                     getSignExtendExpr(Step, WideTy))))
757             // Return the expression with the addrec on the outside.
758             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
759                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
760                                  AR->getLoop());
761         }
762       }
763     }
764
765   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
766   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
767   return Result;
768 }
769
770 SCEVHandle ScalarEvolution::getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op,
771                                               const Type *Ty) {
772   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
773          "This is not an extending conversion!");
774
775   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
776     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
777     Constant *C = ConstantExpr::getSExt(SC->getValue(), IntTy);
778     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
779     return getUnknown(C);
780   }
781
782   // sext(sext(x)) --> sext(x)
783   if (SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
784     return getSignExtendExpr(SS->getOperand(), Ty);
785
786   // If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
787   // did not overflow the old, smaller, value, we can sign extend all of the
788   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
789   // this:  for (signed char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
790   if (SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
791     if (AR->isAffine()) {
792       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
793       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
794       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
795       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
796       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
797       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
798       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
799       // that value once it has finished.
800       SCEVHandle MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AR->getLoop());
801       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
802         // Manually compute the final value for AR, checking for
803         // overflow.
804         SCEVHandle Start = AR->getStart();
805         SCEVHandle Step = AR->getStepRecurrence(*this);
806
807         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
808         // the addrec's type. The count is always unsigned.
809         SCEVHandle CastedMaxBECount =
810           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
811         if (MaxBECount ==
812             getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType())) {
813           const Type *WideTy =
814             IntegerType::get(getTypeSizeInBits(Start->getType()) * 2);
815           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no signed overflow.
816           SCEVHandle SMul =
817             getMulExpr(CastedMaxBECount,
818                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
819           SCEVHandle Add = getAddExpr(Start, SMul);
820           if (getSignExtendExpr(Add, WideTy) ==
821               getAddExpr(getSignExtendExpr(Start, WideTy),
822                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
823                                     getSignExtendExpr(Step, WideTy))))
824             // Return the expression with the addrec on the outside.
825             return getAddRecExpr(getSignExtendExpr(Start, Ty),
826                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
827                                  AR->getLoop());
828         }
829       }
830     }
831
832   SCEVSignExtendExpr *&Result = (*SCEVSignExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
833   if (Result == 0) Result = new SCEVSignExtendExpr(Op, Ty);
834   return Result;
835 }
836
837 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
838 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
839   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
840   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
841
842   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
843   GroupByComplexity(Ops);
844
845   // If there are any constants, fold them together.
846   unsigned Idx = 0;
847   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
848     ++Idx;
849     assert(Idx < Ops.size());
850     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
851       // We found two constants, fold them together!
852       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() + 
853                                            RHSC->getValue()->getValue());
854       Ops[0] = getConstant(Fold);
855       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
856       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
857       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
858     }
859
860     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
861     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
862       Ops.erase(Ops.begin());
863       --Idx;
864     }
865   }
866
867   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
868
869   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
870   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
871   // list, these values are required to be adjacent.
872   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
873   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
874     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
875       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
876       // remaining values to the result.
877       SCEVHandle Two = getIntegerSCEV(2, Ty);
878       SCEVHandle Mul = getMulExpr(Ops[i], Two);
879       if (Ops.size() == 2)
880         return Mul;
881       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
882       Ops.push_back(Mul);
883       return getAddExpr(Ops);
884     }
885
886   // Now we know the first non-constant operand.  Skip past any cast SCEVs.
887   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddExpr)
888     ++Idx;
889
890   // If there are add operands they would be next.
891   if (Idx < Ops.size()) {
892     bool DeletedAdd = false;
893     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
894       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
895       // list.
896       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
897       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
898       DeletedAdd = true;
899     }
900
901     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
902     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
903     // any operands we just aquired.
904     if (DeletedAdd)
905       return getAddExpr(Ops);
906   }
907
908   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
909   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
910     ++Idx;
911
912   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
913   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
914   // the multiply.
915   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
916     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
917     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
918       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
919       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
920         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
921           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
922           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
923           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
924             // If the multiply has more than two operands, we must get the
925             // Y*Z term.
926             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
927             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
928             InnerMul = getMulExpr(MulOps);
929           }
930           SCEVHandle One = getIntegerSCEV(1, Ty);
931           SCEVHandle AddOne = getAddExpr(InnerMul, One);
932           SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(AddOne, Ops[AddOp]);
933           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
934           if (AddOp < Idx) {
935             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
936             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
937           } else {
938             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
939             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
940           }
941           Ops.push_back(OuterMul);
942           return getAddExpr(Ops);
943         }
944
945       // Check this multiply against other multiplies being added together.
946       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
947            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
948            ++OtherMulIdx) {
949         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
950         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
951         // together.
952         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
953              OMulOp != e; ++OMulOp)
954           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
955             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
956             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
957             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
958               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
959               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
960               InnerMul1 = getMulExpr(MulOps);
961             }
962             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
963             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
964               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
965                                              OtherMul->op_end());
966               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
967               InnerMul2 = getMulExpr(MulOps);
968             }
969             SCEVHandle InnerMulSum = getAddExpr(InnerMul1,InnerMul2);
970             SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(MulOpSCEV, InnerMulSum);
971             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
972             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
973             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
974             Ops.push_back(OuterMul);
975             return getAddExpr(Ops);
976           }
977       }
978     }
979   }
980
981   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
982   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
983   // recurrence.
984   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
985     ++Idx;
986
987   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
988   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
989     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
990     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
991     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
992     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
993     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
994       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
995         LIOps.push_back(Ops[i]);
996         Ops.erase(Ops.begin()+i);
997         --i; --e;
998       }
999
1000     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1001     if (!LIOps.empty()) {
1002       //  NLI + LI + {Start,+,Step}  -->  NLI + {LI+Start,+,Step}
1003       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
1004
1005       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
1006       AddRecOps[0] = getAddExpr(LIOps);
1007
1008       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(AddRecOps, AddRec->getLoop());
1009       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1010       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1011
1012       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
1013       for (unsigned i = 0;; ++i)
1014         if (Ops[i] == AddRec) {
1015           Ops[i] = NewRec;
1016           break;
1017         }
1018       return getAddExpr(Ops);
1019     }
1020
1021     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1022     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1023     // added together.  If so, we can fold them.
1024     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1025          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1026       if (OtherIdx != Idx) {
1027         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1028         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1029           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
1030           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
1031           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1032             if (i >= NewOps.size()) {
1033               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
1034                             OtherAddRec->op_end());
1035               break;
1036             }
1037             NewOps[i] = getAddExpr(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
1038           }
1039           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1040
1041           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1042
1043           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1044           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1045           Ops.push_back(NewAddRec);
1046           return getAddExpr(Ops);
1047         }
1048       }
1049
1050     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1051     // next one.
1052   }
1053
1054   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
1055   // already have one, otherwise create a new one.
1056   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1057   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
1058                                                                  SCEVOps)];
1059   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
1060   return Result;
1061 }
1062
1063
1064 SCEVHandle ScalarEvolution::getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
1065   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
1066
1067   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1068   GroupByComplexity(Ops);
1069
1070   // If there are any constants, fold them together.
1071   unsigned Idx = 0;
1072   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1073
1074     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
1075     if (Ops.size() == 2)
1076       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
1077         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
1078             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
1079           return getAddExpr(getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(0)),
1080                             getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(1)));
1081
1082
1083     ++Idx;
1084     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1085       // We found two constants, fold them together!
1086       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() * 
1087                                            RHSC->getValue()->getValue());
1088       Ops[0] = getConstant(Fold);
1089       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1090       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1091       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1092     }
1093
1094     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
1095     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
1096       Ops.erase(Ops.begin());
1097       --Idx;
1098     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
1099       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
1100       return Ops[0];
1101     }
1102   }
1103
1104   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
1105   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
1106     ++Idx;
1107
1108   if (Ops.size() == 1)
1109     return Ops[0];
1110
1111   // If there are mul operands inline them all into this expression.
1112   if (Idx < Ops.size()) {
1113     bool DeletedMul = false;
1114     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
1115       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
1116       // list.
1117       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
1118       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1119       DeletedMul = true;
1120     }
1121
1122     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
1123     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
1124     // any operands we just aquired.
1125     if (DeletedMul)
1126       return getMulExpr(Ops);
1127   }
1128
1129   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
1130   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
1131   // recurrence.
1132   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
1133     ++Idx;
1134
1135   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
1136   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1137     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
1138     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
1139     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
1140     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
1141     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1142       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1143         LIOps.push_back(Ops[i]);
1144         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1145         --i; --e;
1146       }
1147
1148     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1149     if (!LIOps.empty()) {
1150       //  NLI * LI * {Start,+,Step}  -->  NLI * {LI*Start,+,LI*Step}
1151       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
1152       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
1153       if (LIOps.size() == 1) {
1154         SCEV *Scale = LIOps[0];
1155         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
1156           NewOps.push_back(getMulExpr(Scale, AddRec->getOperand(i)));
1157       } else {
1158         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1159           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
1160           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
1161           NewOps.push_back(getMulExpr(MulOps));
1162         }
1163       }
1164
1165       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1166
1167       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1168       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1169
1170       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
1171       for (unsigned i = 0;; ++i)
1172         if (Ops[i] == AddRec) {
1173           Ops[i] = NewRec;
1174           break;
1175         }
1176       return getMulExpr(Ops);
1177     }
1178
1179     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1180     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1181     // multiplied together.  If so, we can fold them.
1182     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1183          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1184       if (OtherIdx != Idx) {
1185         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1186         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1187           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
1188           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
1189           SCEVHandle NewStart = getMulExpr(F->getStart(),
1190                                                  G->getStart());
1191           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence(*this);
1192           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence(*this);
1193           SCEVHandle NewStep = getAddExpr(getMulExpr(F, D),
1194                                           getMulExpr(G, B),
1195                                           getMulExpr(B, D));
1196           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewStart, NewStep,
1197                                                F->getLoop());
1198           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1199
1200           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1201           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1202           Ops.push_back(NewAddRec);
1203           return getMulExpr(Ops);
1204         }
1205       }
1206
1207     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1208     // next one.
1209   }
1210
1211   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
1212   // already have one, otherwise create a new one.
1213   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1214   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
1215                                                                  SCEVOps)];
1216   if (Result == 0)
1217     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
1218   return Result;
1219 }
1220
1221 SCEVHandle ScalarEvolution::getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1222   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1223     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1224       return LHS;                            // X udiv 1 --> x
1225
1226     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1227       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1228       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1229       return getUnknown(ConstantExpr::getUDiv(LHSCV, RHSCV));
1230     }
1231   }
1232
1233   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
1234
1235   SCEVUDivExpr *&Result = (*SCEVUDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
1236   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1237   return Result;
1238 }
1239
1240
1241 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1242 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1243 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start,
1244                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1245   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1246   Operands.push_back(Start);
1247   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1248     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1249       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1250                       StepChrec->op_end());
1251       return getAddRecExpr(Operands, L);
1252     }
1253
1254   Operands.push_back(Step);
1255   return getAddRecExpr(Operands, L);
1256 }
1257
1258 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1259 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1260 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1261                                           const Loop *L) {
1262   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1263
1264   if (Operands.back()->isZero()) {
1265     Operands.pop_back();
1266     return getAddRecExpr(Operands, L);             // {X,+,0}  -->  X
1267   }
1268
1269   // Canonicalize nested AddRecs in by nesting them in order of loop depth.
1270   if (SCEVAddRecExpr *NestedAR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Operands[0])) {
1271     const Loop* NestedLoop = NestedAR->getLoop();
1272     if (L->getLoopDepth() < NestedLoop->getLoopDepth()) {
1273       std::vector<SCEVHandle> NestedOperands(NestedAR->op_begin(),
1274                                              NestedAR->op_end());
1275       SCEVHandle NestedARHandle(NestedAR);
1276       Operands[0] = NestedAR->getStart();
1277       NestedOperands[0] = getAddRecExpr(Operands, L);
1278       return getAddRecExpr(NestedOperands, NestedLoop);
1279     }
1280   }
1281
1282   SCEVAddRecExpr *&Result =
1283     (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1284                                                             Operands.end()))];
1285   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1286   return Result;
1287 }
1288
1289 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1290                                         const SCEVHandle &RHS) {
1291   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1292   Ops.push_back(LHS);
1293   Ops.push_back(RHS);
1294   return getSMaxExpr(Ops);
1295 }
1296
1297 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1298   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty smax!");
1299   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1300
1301   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1302   GroupByComplexity(Ops);
1303
1304   // If there are any constants, fold them together.
1305   unsigned Idx = 0;
1306   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1307     ++Idx;
1308     assert(Idx < Ops.size());
1309     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1310       // We found two constants, fold them together!
1311       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1312                               APIntOps::smax(LHSC->getValue()->getValue(),
1313                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1314       Ops[0] = getConstant(Fold);
1315       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1316       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1317       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1318     }
1319
1320     // If we are left with a constant -inf, strip it off.
1321     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(true)) {
1322       Ops.erase(Ops.begin());
1323       --Idx;
1324     }
1325   }
1326
1327   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1328
1329   // Find the first SMax
1330   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scSMaxExpr)
1331     ++Idx;
1332
1333   // Check to see if one of the operands is an SMax. If so, expand its operands
1334   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1335   if (Idx < Ops.size()) {
1336     bool DeletedSMax = false;
1337     while (SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1338       Ops.insert(Ops.end(), SMax->op_begin(), SMax->op_end());
1339       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1340       DeletedSMax = true;
1341     }
1342
1343     if (DeletedSMax)
1344       return getSMaxExpr(Ops);
1345   }
1346
1347   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1348   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1349   // be adjacent.
1350   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1351     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X smax Y smax Y  -->  X smax Y
1352       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1353       --i; --e;
1354     }
1355
1356   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1357
1358   assert(!Ops.empty() && "Reduced smax down to nothing!");
1359
1360   // Okay, it looks like we really DO need an smax expr.  Check to see if we
1361   // already have one, otherwise create a new one.
1362   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1363   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scSMaxExpr,
1364                                                                  SCEVOps)];
1365   if (Result == 0) Result = new SCEVSMaxExpr(Ops);
1366   return Result;
1367 }
1368
1369 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1370                                         const SCEVHandle &RHS) {
1371   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1372   Ops.push_back(LHS);
1373   Ops.push_back(RHS);
1374   return getUMaxExpr(Ops);
1375 }
1376
1377 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1378   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty umax!");
1379   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1380
1381   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1382   GroupByComplexity(Ops);
1383
1384   // If there are any constants, fold them together.
1385   unsigned Idx = 0;
1386   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1387     ++Idx;
1388     assert(Idx < Ops.size());
1389     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1390       // We found two constants, fold them together!
1391       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1392                               APIntOps::umax(LHSC->getValue()->getValue(),
1393                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1394       Ops[0] = getConstant(Fold);
1395       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1396       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1397       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1398     }
1399
1400     // If we are left with a constant zero, strip it off.
1401     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(false)) {
1402       Ops.erase(Ops.begin());
1403       --Idx;
1404     }
1405   }
1406
1407   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1408
1409   // Find the first UMax
1410   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scUMaxExpr)
1411     ++Idx;
1412
1413   // Check to see if one of the operands is a UMax. If so, expand its operands
1414   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1415   if (Idx < Ops.size()) {
1416     bool DeletedUMax = false;
1417     while (SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1418       Ops.insert(Ops.end(), UMax->op_begin(), UMax->op_end());
1419       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1420       DeletedUMax = true;
1421     }
1422
1423     if (DeletedUMax)
1424       return getUMaxExpr(Ops);
1425   }
1426
1427   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1428   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1429   // be adjacent.
1430   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1431     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X umax Y umax Y  -->  X umax Y
1432       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1433       --i; --e;
1434     }
1435
1436   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1437
1438   assert(!Ops.empty() && "Reduced umax down to nothing!");
1439
1440   // Okay, it looks like we really DO need a umax expr.  Check to see if we
1441   // already have one, otherwise create a new one.
1442   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1443   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scUMaxExpr,
1444                                                                  SCEVOps)];
1445   if (Result == 0) Result = new SCEVUMaxExpr(Ops);
1446   return Result;
1447 }
1448
1449 SCEVHandle ScalarEvolution::getUnknown(Value *V) {
1450   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1451     return getConstant(CI);
1452   if (isa<ConstantPointerNull>(V))
1453     return getIntegerSCEV(0, V->getType());
1454   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1455   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1456   return Result;
1457 }
1458
1459 //===----------------------------------------------------------------------===//
1460 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1461 //
1462
1463 /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
1464 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1465 /// that no dangling references are left around.
1466 void ScalarEvolution::deleteValueFromRecords(Value *V) {
1467   SmallVector<Value *, 16> Worklist;
1468
1469   if (Scalars.erase(V)) {
1470     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(V))
1471       ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1472     Worklist.push_back(V);
1473   }
1474
1475   while (!Worklist.empty()) {
1476     Value *VV = Worklist.back();
1477     Worklist.pop_back();
1478
1479     for (Instruction::use_iterator UI = VV->use_begin(), UE = VV->use_end();
1480          UI != UE; ++UI) {
1481       Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
1482       if (Scalars.erase(Inst)) {
1483         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(VV))
1484           ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1485         Worklist.push_back(Inst);
1486       }
1487     }
1488   }
1489 }
1490
1491 /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
1492 /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
1493 /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
1494 /// has access to target-specific information.
1495 bool ScalarEvolution::isSCEVable(const Type *Ty) const {
1496   // Integers are always SCEVable.
1497   if (Ty->isInteger())
1498     return true;
1499
1500   // Pointers are SCEVable if TargetData information is available
1501   // to provide pointer size information.
1502   if (isa<PointerType>(Ty))
1503     return TD != NULL;
1504
1505   // Otherwise it's not SCEVable.
1506   return false;
1507 }
1508
1509 /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
1510 /// for which isSCEVable must return true.
1511 uint64_t ScalarEvolution::getTypeSizeInBits(const Type *Ty) const {
1512   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
1513
1514   // If we have a TargetData, use it!
1515   if (TD)
1516     return TD->getTypeSizeInBits(Ty);
1517
1518   // Otherwise, we support only integer types.
1519   assert(Ty->isInteger() && "isSCEVable permitted a non-SCEVable type!");
1520   return Ty->getPrimitiveSizeInBits();
1521 }
1522
1523 /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
1524 /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
1525 /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
1526 /// this is the pointer-sized integer type.
1527 const Type *ScalarEvolution::getEffectiveSCEVType(const Type *Ty) const {
1528   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
1529
1530   if (Ty->isInteger())
1531     return Ty;
1532
1533   assert(isa<PointerType>(Ty) && "Unexpected non-pointer non-integer type!");
1534   return TD->getIntPtrType();
1535 }
1536
1537 SCEVHandle ScalarEvolution::getCouldNotCompute() {
1538   return UnknownValue;
1539 }
1540
1541 // hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1542 /// computed.
1543 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
1544   return Scalars.count(V);
1545 }
1546
1547 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1548 /// expression and create a new one.
1549 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) {
1550   assert(isSCEVable(V->getType()) && "Value is not SCEVable!");
1551
1552   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1553   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1554   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1555   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1556   return S;
1557 }
1558
1559 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
1560 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
1561 SCEVHandle ScalarEvolution::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
1562   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1563   Constant *C;
1564   if (Val == 0)
1565     C = Constant::getNullValue(Ty);
1566   else if (Ty->isFloatingPoint())
1567     C = ConstantFP::get(APFloat(Ty==Type::FloatTy ? APFloat::IEEEsingle :
1568                                 APFloat::IEEEdouble, Val));
1569   else
1570     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
1571   return getUnknown(C);
1572 }
1573
1574 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
1575 ///
1576 SCEVHandle ScalarEvolution::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
1577   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
1578     return getUnknown(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
1579
1580   const Type *Ty = V->getType();
1581   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1582   return getMulExpr(V, getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)));
1583 }
1584
1585 /// getNotSCEV - Return a SCEV corresponding to ~V = -1-V
1586 SCEVHandle ScalarEvolution::getNotSCEV(const SCEVHandle &V) {
1587   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
1588     return getUnknown(ConstantExpr::getNot(VC->getValue()));
1589
1590   const Type *Ty = V->getType();
1591   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1592   SCEVHandle AllOnes = getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty));
1593   return getMinusSCEV(AllOnes, V);
1594 }
1595
1596 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
1597 ///
1598 SCEVHandle ScalarEvolution::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
1599                                          const SCEVHandle &RHS) {
1600   // X - Y --> X + -Y
1601   return getAddExpr(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
1602 }
1603
1604 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
1605 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
1606 /// extended.
1607 SCEVHandle
1608 ScalarEvolution::getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V,
1609                                          const Type *Ty) {
1610   const Type *SrcTy = V->getType();
1611   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
1612          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
1613          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
1614   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
1615     return V;  // No conversion
1616   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
1617     return getTruncateExpr(V, Ty);
1618   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
1619 }
1620
1621 /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
1622 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is sign
1623 /// extended.
1624 SCEVHandle
1625 ScalarEvolution::getTruncateOrSignExtend(const SCEVHandle &V,
1626                                          const Type *Ty) {
1627   const Type *SrcTy = V->getType();
1628   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
1629          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
1630          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
1631   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
1632     return V;  // No conversion
1633   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
1634     return getTruncateExpr(V, Ty);
1635   return getSignExtendExpr(V, Ty);
1636 }
1637
1638 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1639 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1640 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1641 void ScalarEvolution::
1642 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1643                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1644   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1645   if (SI == Scalars.end()) return;
1646
1647   SCEVHandle NV =
1648     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal, *this);
1649   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1650
1651   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1652
1653   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1654   // updated!
1655   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1656        UI != E; ++UI)
1657     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1658 }
1659
1660 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1661 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1662 ///
1663 SCEVHandle ScalarEvolution::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1664   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1665     if (const Loop *L = LI->getLoopFor(PN->getParent()))
1666       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1667         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1668         // from outside the loop, and one from inside.
1669         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1670         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1671
1672         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1673         SCEVHandle SymbolicName = getUnknown(PN);
1674         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1675                "PHI node already processed?");
1676         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1677
1678         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1679         // the back-edge.
1680         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1681
1682         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1683         // has a special value for the first iteration of the loop.
1684
1685         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1686         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1687         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1688           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1689           // with a recurrence.
1690           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1691           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1692             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1693               if (FoundIndex == e) {
1694                 FoundIndex = i;
1695                 break;
1696               }
1697
1698           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1699             // Create an add with everything but the specified operand.
1700             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1701             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1702               if (i != FoundIndex)
1703                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1704             SCEVHandle Accum = getAddExpr(Ops);
1705
1706             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1707             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1708             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1709                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1710                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1711               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1712               SCEVHandle PHISCEV  = getAddRecExpr(StartVal, Accum, L);
1713
1714               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1715               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1716               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1717               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1718               // value.
1719               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1720               return PHISCEV;
1721             }
1722           }
1723         } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1724           // Otherwise, this could be a loop like this:
1725           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1726           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1727           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1728           // i really is an addrec evolution.
1729           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1730             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1731
1732             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1733             // initial step of the addrec evolution.
1734             if (StartVal == getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1735                                             AddRec->getOperand(1))) {
1736               SCEVHandle PHISCEV = 
1737                  getAddRecExpr(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1738
1739               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1740               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1741               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1742               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1743               // value.
1744               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1745               return PHISCEV;
1746             }
1747           }
1748         }
1749
1750         return SymbolicName;
1751       }
1752
1753   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1754   return getUnknown(PN);
1755 }
1756
1757 /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S is
1758 /// guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same time,
1759 /// the minimum number of times S is divisible by 2.  For example, given {4,+,8}
1760 /// it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the bitwidth of S.
1761 static uint32_t GetMinTrailingZeros(SCEVHandle S, const ScalarEvolution &SE) {
1762   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
1763     return C->getValue()->getValue().countTrailingZeros();
1764
1765   if (SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1766     return std::min(GetMinTrailingZeros(T->getOperand(), SE),
1767                     (uint32_t)SE.getTypeSizeInBits(T->getType()));
1768
1769   if (SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
1770     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand(), SE);
1771     return OpRes == SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
1772              SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) : OpRes;
1773   }
1774
1775   if (SCEVSignExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
1776     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand(), SE);
1777     return OpRes == SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
1778              SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) : OpRes;
1779   }
1780
1781   if (SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1782     // The result is the min of all operands results.
1783     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0), SE);
1784     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1785       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i), SE));
1786     return MinOpRes;
1787   }
1788
1789   if (SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1790     // The result is the sum of all operands results.
1791     uint32_t SumOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1792     uint32_t BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(M->getType());
1793     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands();
1794          SumOpRes != BitWidth && i != e; ++i)
1795       SumOpRes = std::min(SumOpRes + GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE),
1796                           BitWidth);
1797     return SumOpRes;
1798   }
1799
1800   if (SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1801     // The result is the min of all operands results.
1802     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0), SE);
1803     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1804       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i), SE));
1805     return MinOpRes;
1806   }
1807
1808   if (SCEVSMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
1809     // The result is the min of all operands results.
1810     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1811     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1812       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE));
1813     return MinOpRes;
1814   }
1815
1816   if (SCEVUMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
1817     // The result is the min of all operands results.
1818     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1819     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1820       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE));
1821     return MinOpRes;
1822   }
1823
1824   // SCEVUDivExpr, SCEVUnknown
1825   return 0;
1826 }
1827
1828 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1829 /// Analyze the expression.
1830 ///
1831 SCEVHandle ScalarEvolution::createSCEV(Value *V) {
1832   if (!isSCEVable(V->getType()))
1833     return getUnknown(V);
1834
1835   unsigned Opcode = Instruction::UserOp1;
1836   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
1837     Opcode = I->getOpcode();
1838   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
1839     Opcode = CE->getOpcode();
1840   else
1841     return getUnknown(V);
1842
1843   User *U = cast<User>(V);
1844   switch (Opcode) {
1845   case Instruction::Add:
1846     return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1847                       getSCEV(U->getOperand(1)));
1848   case Instruction::Mul:
1849     return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1850                       getSCEV(U->getOperand(1)));
1851   case Instruction::UDiv:
1852     return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1853                        getSCEV(U->getOperand(1)));
1854   case Instruction::Sub:
1855     return getMinusSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)),
1856                         getSCEV(U->getOperand(1)));
1857   case Instruction::And:
1858     // For an expression like x&255 that merely masks off the high bits,
1859     // use zext(trunc(x)) as the SCEV expression.
1860     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1861       if (CI->isNullValue())
1862         return getSCEV(U->getOperand(1));
1863       if (CI->isAllOnesValue())
1864         return getSCEV(U->getOperand(0));
1865       const APInt &A = CI->getValue();
1866       unsigned Ones = A.countTrailingOnes();
1867       if (APIntOps::isMask(Ones, A))
1868         return
1869           getZeroExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1870                                             IntegerType::get(Ones)),
1871                             U->getType());
1872     }
1873     break;
1874   case Instruction::Or:
1875     // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1876     // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an Add so loop
1877     // optimizations will transparently handle this case.
1878     //
1879     // In order for this transformation to be safe, the LHS must be of the
1880     // form X*(2^n) and the Or constant must be less than 2^n.
1881     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1882       SCEVHandle LHS = getSCEV(U->getOperand(0));
1883       const APInt &CIVal = CI->getValue();
1884       if (GetMinTrailingZeros(LHS, *this) >=
1885           (CIVal.getBitWidth() - CIVal.countLeadingZeros()))
1886         return getAddExpr(LHS, getSCEV(U->getOperand(1)));
1887     }
1888     break;
1889   case Instruction::Xor:
1890     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1891       // If the RHS of the xor is a signbit, then this is just an add.
1892       // Instcombine turns add of signbit into xor as a strength reduction step.
1893       if (CI->getValue().isSignBit())
1894         return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1895                           getSCEV(U->getOperand(1)));
1896
1897       // If the RHS of xor is -1, then this is a not operation.
1898       else if (CI->isAllOnesValue())
1899         return getNotSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)));
1900     }
1901     break;
1902
1903   case Instruction::Shl:
1904     // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1905     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1906       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1907       Constant *X = ConstantInt::get(
1908         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1909       return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1910     }
1911     break;
1912
1913   case Instruction::LShr:
1914     // Turn logical shift right of a constant into a unsigned divide.
1915     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1916       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1917       Constant *X = ConstantInt::get(
1918         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1919       return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1920     }
1921     break;
1922
1923   case Instruction::AShr:
1924     // For a two-shift sext-inreg, use sext(trunc(x)) as the SCEV expression.
1925     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1)))
1926       if (Instruction *L = dyn_cast<Instruction>(U->getOperand(0)))
1927         if (L->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1928             L->getOperand(1) == U->getOperand(1)) {
1929           unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(U->getType());
1930           uint64_t Amt = BitWidth - CI->getZExtValue();
1931           if (Amt == BitWidth)
1932             return getSCEV(L->getOperand(0));       // shift by zero --> noop
1933           if (Amt > BitWidth)
1934             return getIntegerSCEV(0, U->getType()); // value is undefined
1935           return
1936             getSignExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(L->getOperand(0)),
1937                                                       IntegerType::get(Amt)),
1938                                  U->getType());
1939         }
1940     break;
1941
1942   case Instruction::Trunc:
1943     return getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1944
1945   case Instruction::ZExt:
1946     return getZeroExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1947
1948   case Instruction::SExt:
1949     return getSignExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1950
1951   case Instruction::BitCast:
1952     // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1953     if (isSCEVable(U->getType()) && isSCEVable(U->getOperand(0)->getType()))
1954       return getSCEV(U->getOperand(0));
1955     break;
1956
1957   case Instruction::IntToPtr:
1958     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1959     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
1960                                    TD->getIntPtrType());
1961
1962   case Instruction::PtrToInt:
1963     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1964     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
1965                                    U->getType());
1966
1967   case Instruction::GetElementPtr: {
1968     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1969     const Type *IntPtrTy = TD->getIntPtrType();
1970     Value *Base = U->getOperand(0);
1971     SCEVHandle TotalOffset = getIntegerSCEV(0, IntPtrTy);
1972     gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(U);
1973     for (GetElementPtrInst::op_iterator I = next(U->op_begin()),
1974                                         E = U->op_end();
1975          I != E; ++I) {
1976       Value *Index = *I;
1977       // Compute the (potentially symbolic) offset in bytes for this index.
1978       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI++)) {
1979         // For a struct, add the member offset.
1980         const StructLayout &SL = *TD->getStructLayout(STy);
1981         unsigned FieldNo = cast<ConstantInt>(Index)->getZExtValue();
1982         uint64_t Offset = SL.getElementOffset(FieldNo);
1983         TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset,
1984                                     getIntegerSCEV(Offset, IntPtrTy));
1985       } else {
1986         // For an array, add the element offset, explicitly scaled.
1987         SCEVHandle LocalOffset = getSCEV(Index);
1988         if (!isa<PointerType>(LocalOffset->getType()))
1989           // Getelementptr indicies are signed.
1990           LocalOffset = getTruncateOrSignExtend(LocalOffset,
1991                                                 IntPtrTy);
1992         LocalOffset =
1993           getMulExpr(LocalOffset,
1994                      getIntegerSCEV(TD->getTypePaddedSize(*GTI),
1995                                     IntPtrTy));
1996         TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset, LocalOffset);
1997       }
1998     }
1999     return getAddExpr(getSCEV(Base), TotalOffset);
2000   }
2001
2002   case Instruction::PHI:
2003     return createNodeForPHI(cast<PHINode>(U));
2004
2005   case Instruction::Select:
2006     // This could be a smax or umax that was lowered earlier.
2007     // Try to recover it.
2008     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(U->getOperand(0))) {
2009       Value *LHS = ICI->getOperand(0);
2010       Value *RHS = ICI->getOperand(1);
2011       switch (ICI->getPredicate()) {
2012       case ICmpInst::ICMP_SLT:
2013       case ICmpInst::ICMP_SLE:
2014         std::swap(LHS, RHS);
2015         // fall through
2016       case ICmpInst::ICMP_SGT:
2017       case ICmpInst::ICMP_SGE:
2018         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
2019           return getSMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2020         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
2021           // ~smax(~x, ~y) == smin(x, y).
2022           return getNotSCEV(getSMaxExpr(
2023                                    getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
2024                                    getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
2025         break;
2026       case ICmpInst::ICMP_ULT:
2027       case ICmpInst::ICMP_ULE:
2028         std::swap(LHS, RHS);
2029         // fall through
2030       case ICmpInst::ICMP_UGT:
2031       case ICmpInst::ICMP_UGE:
2032         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
2033           return getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2034         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
2035           // ~umax(~x, ~y) == umin(x, y)
2036           return getNotSCEV(getUMaxExpr(getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
2037                                         getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
2038         break;
2039       default:
2040         break;
2041       }
2042     }
2043
2044   default: // We cannot analyze this expression.
2045     break;
2046   }
2047
2048   return getUnknown(V);
2049 }
2050
2051
2052
2053 //===----------------------------------------------------------------------===//
2054 //                   Iteration Count Computation Code
2055 //
2056
2057 /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
2058 /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
2059 /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
2060 /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
2061 /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
2062 /// when the header is branched to from outside the loop.
2063 ///
2064 /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
2065 /// loop-invariant backedge-taken count (see
2066 /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
2067 ///
2068 SCEVHandle ScalarEvolution::getBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2069   return getBackedgeTakenInfo(L).Exact;
2070 }
2071
2072 /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
2073 /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
2074 /// actual backedge taken count.
2075 SCEVHandle ScalarEvolution::getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2076   return getBackedgeTakenInfo(L).Max;
2077 }
2078
2079 const ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo &
2080 ScalarEvolution::getBackedgeTakenInfo(const Loop *L) {
2081   // Initially insert a CouldNotCompute for this loop. If the insertion
2082   // succeeds, procede to actually compute a backedge-taken count and
2083   // update the value. The temporary CouldNotCompute value tells SCEV
2084   // code elsewhere that it shouldn't attempt to request a new
2085   // backedge-taken count, which could result in infinite recursion.
2086   std::pair<std::map<const Loop*, BackedgeTakenInfo>::iterator, bool> Pair =
2087     BackedgeTakenCounts.insert(std::make_pair(L, getCouldNotCompute()));
2088   if (Pair.second) {
2089     BackedgeTakenInfo ItCount = ComputeBackedgeTakenCount(L);
2090     if (ItCount.Exact != UnknownValue) {
2091       assert(ItCount.Exact->isLoopInvariant(L) &&
2092              ItCount.Max->isLoopInvariant(L) &&
2093              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
2094       ++NumTripCountsComputed;
2095
2096       // Update the value in the map.
2097       Pair.first->second = ItCount;
2098     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
2099       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
2100       ++NumTripCountsNotComputed;
2101     }
2102
2103     // Now that we know more about the trip count for this loop, forget any
2104     // existing SCEV values for PHI nodes in this loop since they are only
2105     // conservative estimates made without the benefit
2106     // of trip count information.
2107     if (ItCount.hasAnyInfo())
2108       for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2109            PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
2110         deleteValueFromRecords(PN);
2111   }
2112   return Pair.first->second;
2113 }
2114
2115 /// forgetLoopBackedgeTakenCount - This method should be called by the
2116 /// client when it has changed a loop in a way that may effect
2117 /// ScalarEvolution's ability to compute a trip count, or if the loop
2118 /// is deleted.
2119 void ScalarEvolution::forgetLoopBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2120   BackedgeTakenCounts.erase(L);
2121 }
2122
2123 /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the backedge
2124 /// of the specified loop will execute.
2125 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
2126 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2127   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
2128   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
2129   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2130   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
2131
2132   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
2133   // loop to be exited.
2134   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
2135
2136   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
2137   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
2138        PI != E; ++PI)
2139     if (L->contains(*PI)) {
2140       if (ExitingBlock == 0)
2141         ExitingBlock = *PI;
2142       else
2143         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
2144     }
2145   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
2146
2147   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
2148   // exit.
2149   //
2150   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
2151   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2152   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
2153   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
2154   
2155   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
2156   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
2157   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
2158   // not be equal to the trip count of the loop.
2159   //
2160   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
2161   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
2162   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
2163   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
2164   // could be done to handle more cases here.
2165   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
2166       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
2167       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
2168     return UnknownValue;
2169   
2170   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
2171
2172   // If it's not an integer comparison then compute it the hard way. 
2173   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
2174   // the type of the operand.
2175   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
2176     return ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
2177                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2178
2179   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
2180   ICmpInst::Predicate Cond;
2181   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
2182     Cond = ExitCond->getPredicate();
2183   else
2184     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
2185
2186   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
2187   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
2188     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
2189       SCEVHandle ItCnt =
2190         ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LI, RHS, L, Cond);
2191       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
2192     }
2193
2194   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
2195   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
2196
2197   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
2198   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
2199   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
2200   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
2201   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
2202
2203   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
2204   // loop the predicate will return true for these inputs.
2205   if (LHS->isLoopInvariant(L) && !RHS->isLoopInvariant(L)) {
2206     // If there is a loop-invariant, force it into the RHS.
2207     std::swap(LHS, RHS);
2208     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
2209   }
2210
2211   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
2212   // ranges to answer this query.
2213   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
2214     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
2215       if (AddRec->getLoop() == L) {
2216         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
2217         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
2218         // comparison.
2219         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
2220         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
2221         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
2222           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
2223         if (CompVal) {
2224           // Form the constant range.
2225           ConstantRange CompRange(
2226               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
2227
2228           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, *this);
2229           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
2230         }
2231       }
2232
2233   switch (Cond) {
2234   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
2235     // Convert to: while (X-Y != 0)
2236     SCEVHandle TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2237     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2238     break;
2239   }
2240   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
2241     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
2242     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2243     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2244     break;
2245   }
2246   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
2247     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, true);
2248     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2249     break;
2250   }
2251   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
2252     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
2253                                              getNotSCEV(RHS), L, true);
2254     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2255     break;
2256   }
2257   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
2258     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, false);
2259     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2260     break;
2261   }
2262   case ICmpInst::ICMP_UGT: {
2263     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
2264                                              getNotSCEV(RHS), L, false);
2265     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2266     break;
2267   }
2268   default:
2269 #if 0
2270     errs() << "ComputeBackedgeTakenCount ";
2271     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
2272       errs() << "[unsigned] ";
2273     errs() << *LHS << "   "
2274          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
2275          << "   " << *RHS << "\n";
2276 #endif
2277     break;
2278   }
2279   return
2280     ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitCond,
2281                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2282 }
2283
2284 static ConstantInt *
2285 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ConstantInt *C,
2286                                 ScalarEvolution &SE) {
2287   SCEVHandle InVal = SE.getConstant(C);
2288   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal, SE);
2289   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
2290          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
2291   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
2292 }
2293
2294 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
2295 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
2296 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
2297 /// invalid.
2298 static Constant *
2299 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
2300                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
2301   Constant *Init = GV->getInitializer();
2302   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
2303     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
2304     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
2305       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
2306       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
2307     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
2308       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
2309       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
2310     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
2311       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2312         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
2313         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
2314       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
2315         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
2316         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
2317       } else {
2318         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
2319       }
2320       return 0;
2321     } else {
2322       return 0; // Unknown initializer type
2323     }
2324   }
2325   return Init;
2326 }
2327
2328 /// ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount - Given an exit condition of
2329 /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the backedge
2330 /// execution count.
2331 SCEVHandle ScalarEvolution::
2332 ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
2333                                              const Loop *L,
2334                                              ICmpInst::Predicate predicate) {
2335   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
2336
2337   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
2338   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
2339   if (!GEP) return UnknownValue;
2340
2341   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
2342   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
2343   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
2344   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
2345       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
2346       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
2347     return UnknownValue;
2348
2349   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
2350   Value *VarIdx = 0;
2351   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
2352   unsigned VarIdxNum = 0;
2353   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
2354     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2355       Indexes.push_back(CI);
2356     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2357       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
2358       VarIdx = GEP->getOperand(i);
2359       VarIdxNum = i-2;
2360       Indexes.push_back(0);
2361     }
2362
2363   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
2364   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
2365   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
2366   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
2367   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
2368
2369   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
2370   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
2371   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
2372   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
2373       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
2374       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
2375     return UnknownValue;
2376
2377   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
2378   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
2379     ConstantInt *ItCst =
2380       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
2381     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst, *this);
2382
2383     // Form the GEP offset.
2384     Indexes[VarIdxNum] = Val;
2385
2386     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
2387     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
2388
2389     // Evaluate the condition for this iteration.
2390     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
2391     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
2392     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
2393 #if 0
2394       errs() << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
2395              << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
2396              << "***\n";
2397 #endif
2398       ++NumArrayLenItCounts;
2399       return getConstant(ItCst);   // Found terminating iteration!
2400     }
2401   }
2402   return UnknownValue;
2403 }
2404
2405
2406 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
2407 /// specified type, assuming that all operands were constants.
2408 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
2409   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2410       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
2411     return true;
2412
2413   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
2414     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
2415       return canConstantFoldCallTo(F);
2416   return false;
2417 }
2418
2419 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
2420 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
2421 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
2422 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
2423 /// constraints, return null.
2424 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
2425   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
2426   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
2427   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
2428   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
2429
2430   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
2431     if (L->getHeader() == I->getParent())
2432       return PN;
2433     else
2434       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
2435       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
2436       return 0;
2437   }
2438
2439   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
2440   // are constants, return early.
2441   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
2442
2443   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
2444   // constant or derived from a PHI node themselves.
2445   PHINode *PHI = 0;
2446   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
2447     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
2448           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
2449       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
2450       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
2451       if (PHI == 0)
2452         PHI = P;
2453       else if (PHI != P)
2454         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
2455     }
2456
2457   // This is a expression evolving from a constant PHI!
2458   return PHI;
2459 }
2460
2461 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
2462 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
2463 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
2464 /// reason, return null.
2465 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
2466   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
2467   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
2468   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V)) return GV;
2469   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
2470
2471   std::vector<Constant*> Operands;
2472   Operands.resize(I->getNumOperands());
2473
2474   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2475     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
2476     if (Operands[i] == 0) return 0;
2477   }
2478
2479   if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2480     return ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2481                                            &Operands[0], Operands.size());
2482   else
2483     return ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2484                                     &Operands[0], Operands.size());
2485 }
2486
2487 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
2488 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
2489 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
2490 /// involving constants, fold it.
2491 Constant *ScalarEvolution::
2492 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& BEs, const Loop *L){
2493   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
2494     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
2495   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
2496     return I->second;
2497
2498   if (BEs.ugt(APInt(BEs.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
2499     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
2500
2501   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
2502
2503   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2504   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2505   // second must be derived from the same PHI.
2506   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2507   Constant *StartCST =
2508     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2509   if (StartCST == 0)
2510     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
2511
2512   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2513   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2514   if (PN2 != PN)
2515     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
2516
2517   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
2518   if (BEs.getActiveBits() >= 32)
2519     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
2520
2521   unsigned NumIterations = BEs.getZExtValue(); // must be in range
2522   unsigned IterationNum = 0;
2523   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
2524     if (IterationNum == NumIterations)
2525       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
2526
2527     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2528     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2529     if (NextPHI == PHIVal)
2530       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
2531     if (NextPHI == 0)
2532       return 0;        // Couldn't evaluate!
2533     PHIVal = NextPHI;
2534   }
2535 }
2536
2537 /// ComputeBackedgeTakenCountExhaustively - If the trip is known to execute a
2538 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
2539 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
2540 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
2541 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
2542 SCEVHandle ScalarEvolution::
2543 ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
2544   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
2545   if (PN == 0) return UnknownValue;
2546
2547   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2548   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2549   // second must be derived from the same PHI.
2550   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2551   Constant *StartCST =
2552     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2553   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
2554
2555   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2556   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2557   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
2558
2559   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
2560   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
2561   // "ExitWhen".
2562   unsigned IterationNum = 0;
2563   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
2564   for (Constant *PHIVal = StartCST;
2565        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
2566     ConstantInt *CondVal =
2567       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
2568
2569     // Couldn't symbolically evaluate.
2570     if (!CondVal) return UnknownValue;
2571
2572     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
2573       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
2574       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
2575       return getConstant(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
2576     }
2577
2578     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2579     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2580     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
2581       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
2582     PHIVal = NextPHI;
2583   }
2584
2585   // Too many iterations were needed to evaluate.
2586   return UnknownValue;
2587 }
2588
2589 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
2590 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
2591 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
2592 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
2593   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
2594
2595   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
2596
2597   // If this instruction is evolved from a constant-evolving PHI, compute the
2598   // exit value from the loop without using SCEVs.
2599   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
2600     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
2601       const Loop *LI = (*this->LI)[I->getParent()];
2602       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
2603         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
2604           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
2605             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
2606             // to see if the loop that contains it has a known backedge-taken
2607             // count.  If so, we may be able to force computation of the exit
2608             // value.
2609             SCEVHandle BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(LI);
2610             if (SCEVConstant *BTCC =
2611                   dyn_cast<SCEVConstant>(BackedgeTakenCount)) {
2612               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
2613               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
2614               // the specified iteration number.
2615               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
2616                                                    BTCC->getValue()->getValue(),
2617                                                                LI);
2618               if (RV) return getUnknown(RV);
2619             }
2620           }
2621
2622       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
2623       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
2624       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
2625       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
2626       if (CanConstantFold(I)) {
2627         std::vector<Constant*> Operands;
2628         Operands.reserve(I->getNumOperands());
2629         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2630           Value *Op = I->getOperand(i);
2631           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
2632             Operands.push_back(C);
2633           } else {
2634             // If any of the operands is non-constant and if they are
2635             // non-integer and non-pointer, don't even try to analyze them
2636             // with scev techniques.
2637             if (!isSCEVable(Op->getType()))
2638               return V;
2639
2640             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
2641             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV)) {
2642               Constant *C = SC->getValue();
2643               if (C->getType() != Op->getType())
2644                 C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
2645                                                                   Op->getType(),
2646                                                                   false),
2647                                           C, Op->getType());
2648               Operands.push_back(C);
2649             } else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
2650               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue())) {
2651                 if (C->getType() != Op->getType())
2652                   C =
2653                     ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
2654                                                                   Op->getType(),
2655                                                                   false),
2656                                           C, Op->getType());
2657                 Operands.push_back(C);
2658               } else
2659                 return V;
2660             } else {
2661               return V;
2662             }
2663           }
2664         }
2665         
2666         Constant *C;
2667         if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2668           C = ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2669                                               &Operands[0], Operands.size());
2670         else
2671           C = ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2672                                        &Operands[0], Operands.size());
2673         return getUnknown(C);
2674       }
2675     }
2676
2677     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
2678     return V;
2679   }
2680
2681   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
2682     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
2683     // expression has no loop-variant portions.
2684     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2685       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2686       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2687         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2688         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2689         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2690         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2691         NewOps.push_back(OpAtScope);
2692
2693         for (++i; i != e; ++i) {
2694           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2695           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2696           NewOps.push_back(OpAtScope);
2697         }
2698         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2699           return getAddExpr(NewOps);
2700         if (isa<SCEVMulExpr>(Comm))
2701           return getMulExpr(NewOps);
2702         if (isa<SCEVSMaxExpr>(Comm))
2703           return getSMaxExpr(NewOps);
2704         if (isa<SCEVUMaxExpr>(Comm))
2705           return getUMaxExpr(NewOps);
2706         assert(0 && "Unknown commutative SCEV type!");
2707       }
2708     }
2709     // If we got here, all operands are loop invariant.
2710     return Comm;
2711   }
2712
2713   if (SCEVUDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
2714     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2715     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2716     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2717     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2718     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2719       return Div;   // must be loop invariant
2720     return getUDivExpr(LHS, RHS);
2721   }
2722
2723   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2724   // are dealing with the final value computed by the loop.
2725   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2726     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2727       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2728       // loop iterates.  Compute this now.
2729       SCEVHandle BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
2730       if (BackedgeTakenCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2731
2732       // Then, evaluate the AddRec.
2733       return AddRec->evaluateAtIteration(BackedgeTakenCount, *this);
2734     }
2735     return UnknownValue;
2736   }
2737
2738   if (SCEVZeroExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(V)) {
2739     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2740     if (Op == UnknownValue) return Op;
2741     if (Op == Cast->getOperand())
2742       return Cast;  // must be loop invariant
2743     return getZeroExtendExpr(Op, Cast->getType());
2744   }
2745
2746   if (SCEVSignExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(V)) {
2747     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2748     if (Op == UnknownValue) return Op;
2749     if (Op == Cast->getOperand())
2750       return Cast;  // must be loop invariant
2751     return getSignExtendExpr(Op, Cast->getType());
2752   }
2753
2754   if (SCEVTruncateExpr *Cast = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(V)) {
2755     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2756     if (Op == UnknownValue) return Op;
2757     if (Op == Cast->getOperand())
2758       return Cast;  // must be loop invariant
2759     return getTruncateExpr(Op, Cast->getType());
2760   }
2761
2762   assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2763 }
2764
2765 /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression handle for the specified value
2766 /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
2767 /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
2768 /// specified loop is immediately inside of the loop.
2769 ///
2770 /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
2771 /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
2772 ///
2773 /// If this value is not computable at this scope, a SCEVCouldNotCompute
2774 /// object is returned.
2775 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) {
2776   return getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2777 }
2778
2779 /// SolveLinEquationWithOverflow - Finds the minimum unsigned root of the
2780 /// following equation:
2781 ///
2782 ///     A * X = B (mod N)
2783 ///
2784 /// where N = 2^BW and BW is the common bit width of A and B. The signedness of
2785 /// A and B isn't important.
2786 ///
2787 /// If the equation does not have a solution, SCEVCouldNotCompute is returned.
2788 static SCEVHandle SolveLinEquationWithOverflow(const APInt &A, const APInt &B,
2789                                                ScalarEvolution &SE) {
2790   uint32_t BW = A.getBitWidth();
2791   assert(BW == B.getBitWidth() && "Bit widths must be the same.");
2792   assert(A != 0 && "A must be non-zero.");
2793
2794   // 1. D = gcd(A, N)
2795   //
2796   // The gcd of A and N may have only one prime factor: 2. The number of
2797   // trailing zeros in A is its multiplicity
2798   uint32_t Mult2 = A.countTrailingZeros();
2799   // D = 2^Mult2
2800
2801   // 2. Check if B is divisible by D.
2802   //
2803   // B is divisible by D if and only if the multiplicity of prime factor 2 for B
2804   // is not less than multiplicity of this prime factor for D.
2805   if (B.countTrailingZeros() < Mult2)
2806     return SE.getCouldNotCompute();
2807
2808   // 3. Compute I: the multiplicative inverse of (A / D) in arithmetic
2809   // modulo (N / D).
2810   //
2811   // (N / D) may need BW+1 bits in its representation.  Hence, we'll use this
2812   // bit width during computations.
2813   APInt AD = A.lshr(Mult2).zext(BW + 1);  // AD = A / D
2814   APInt Mod(BW + 1, 0);
2815   Mod.set(BW - Mult2);  // Mod = N / D
2816   APInt I = AD.multiplicativeInverse(Mod);
2817
2818   // 4. Compute the minimum unsigned root of the equation:
2819   // I * (B / D) mod (N / D)
2820   APInt Result = (I * B.lshr(Mult2).zext(BW + 1)).urem(Mod);
2821
2822   // The result is guaranteed to be less than 2^BW so we may truncate it to BW
2823   // bits.
2824   return SE.getConstant(Result.trunc(BW));
2825 }
2826
2827 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2828 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2829 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2830 ///
2831 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2832 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ScalarEvolution &SE) {
2833   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2834   SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2835   SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2836   SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2837
2838   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2839   if (!LC || !MC || !NC) {
2840     SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
2841     return std::make_pair(CNC, CNC);
2842   }
2843
2844   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2845   const APInt &L = LC->getValue()->getValue();
2846   const APInt &M = MC->getValue()->getValue();
2847   const APInt &N = NC->getValue()->getValue();
2848   APInt Two(BitWidth, 2);
2849   APInt Four(BitWidth, 4);
2850
2851   { 
2852     using namespace APIntOps;
2853     const APInt& C = L;
2854     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2855     // The B coefficient is M-N/2
2856     APInt B(M);
2857     B -= sdiv(N,Two);
2858
2859     // The A coefficient is N/2
2860     APInt A(N.sdiv(Two));
2861
2862     // Compute the B^2-4ac term.
2863     APInt SqrtTerm(B);
2864     SqrtTerm *= B;
2865     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2866
2867     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2868     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2869     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2870
2871     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2872     // The divisions must be performed as signed divisions.
2873     APInt NegB(-B);
2874     APInt TwoA( A << 1 );
2875     if (TwoA.isMinValue()) {
2876       SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
2877       return std::make_pair(CNC, CNC);
2878     }
2879
2880     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2881     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2882
2883     return std::make_pair(SE.getConstant(Solution1), 
2884                           SE.getConstant(Solution2));
2885     } // end APIntOps namespace
2886 }
2887
2888 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2889 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2890 SCEVHandle ScalarEvolution::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2891   // If the value is a constant
2892   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2893     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2894     if (C->getValue()->isZero()) return C;
2895     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2896   }
2897
2898   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2899   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2900     return UnknownValue;
2901
2902   if (AddRec->isAffine()) {
2903     // If this is an affine expression, the execution count of this branch is
2904     // the minimum unsigned root of the following equation:
2905     //
2906     //     Start + Step*N = 0 (mod 2^BW)
2907     //
2908     // equivalent to:
2909     //
2910     //             Step*N = -Start (mod 2^BW)
2911     //
2912     // where BW is the common bit width of Start and Step.
2913
2914     // Get the initial value for the loop.
2915     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2916     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2917
2918     SCEVHandle Step = getSCEVAtScope(AddRec->getOperand(1), L->getParentLoop());
2919
2920     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2921       // For now we handle only constant steps.
2922
2923       // First, handle unitary steps.
2924       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // 1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2925         return getNegativeSCEV(Start);       //   N = -Start (as unsigned)
2926       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // -1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2927         return Start;                           //    N = Start (as unsigned)
2928
2929       // Then, try to solve the above equation provided that Start is constant.
2930       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start))
2931         return SolveLinEquationWithOverflow(StepC->getValue()->getValue(),
2932                                             -StartC->getValue()->getValue(),
2933                                             *this);
2934     }
2935   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2936     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2937     // the quadratic equation to solve it.
2938     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec,
2939                                                                     *this);
2940     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2941     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2942     if (R1) {
2943 #if 0
2944       errs() << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2945              << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2946 #endif
2947       // Pick the smallest positive root value.
2948       if (ConstantInt *CB =
2949           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2950                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2951         if (CB->getZExtValue() == false)
2952           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2953
2954         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2955         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2956         // should not accept a root of 2.
2957         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1, *this);
2958         if (Val->isZero())
2959           return R1;  // We found a quadratic root!
2960       }
2961     }
2962   }
2963
2964   return UnknownValue;
2965 }
2966
2967 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2968 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2969 /// UnknownValue
2970 SCEVHandle ScalarEvolution::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2971   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2972   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2973   // future as needed.
2974
2975   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2976   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2977   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2978     if (!C->getValue()->isNullValue())
2979       return getIntegerSCEV(0, C->getType());
2980     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2981   }
2982
2983   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2984   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2985   return UnknownValue;
2986 }
2987
2988 /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
2989 /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
2990 /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
2991 /// found.
2992 ///
2993 BasicBlock *
2994 ScalarEvolution::getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB) {
2995   // If the block has a unique predecessor, then there is no path from the
2996   // predecessor to the block that does not go through the direct edge
2997   // from the predecessor to the block.
2998   if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor())
2999     return Pred;
3000
3001   // A loop's header is defined to be a block that dominates the loop.
3002   // If the loop has a preheader, it must be a block that has exactly
3003   // one successor that can reach BB. This is slightly more strict
3004   // than necessary, but works if critical edges are split.
3005   if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
3006     return L->getLoopPreheader();
3007
3008   return 0;
3009 }
3010
3011 /// isLoopGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected by
3012 /// a conditional between LHS and RHS.  This is used to help avoid max
3013 /// expressions in loop trip counts.
3014 bool ScalarEvolution::isLoopGuardedByCond(const Loop *L,
3015                                           ICmpInst::Predicate Pred,
3016                                           SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
3017   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
3018   BasicBlock *PreheaderDest = L->getHeader();
3019
3020   // Starting at the preheader, climb up the predecessor chain, as long as
3021   // there are predecessors that can be found that have unique successors
3022   // leading to the original header.
3023   for (; Preheader;
3024        PreheaderDest = Preheader,
3025        Preheader = getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(Preheader)) {
3026
3027     BranchInst *LoopEntryPredicate =
3028       dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
3029     if (!LoopEntryPredicate ||
3030         LoopEntryPredicate->isUnconditional())
3031       continue;
3032
3033     ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoopEntryPredicate->getCondition());
3034     if (!ICI) continue;
3035
3036     // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
3037     // see if it is the comparison we are looking for.
3038     Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
3039     Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
3040     ICmpInst::Predicate Cond;
3041     if (LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) == PreheaderDest)
3042       Cond = ICI->getPredicate();
3043     else
3044       Cond = ICI->getInversePredicate();
3045
3046     if (Cond == Pred)
3047       ; // An exact match.
3048     else if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(Cond) && Pred == ICmpInst::ICMP_NE)
3049       ; // The actual condition is beyond sufficient.
3050     else
3051       // Check a few special cases.
3052       switch (Cond) {
3053       case ICmpInst::ICMP_UGT:
3054         if (Pred == ICmpInst::ICMP_ULT) {
3055           std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3056           Cond = ICmpInst::ICMP_ULT;
3057           break;
3058         }
3059         continue;
3060       case ICmpInst::ICMP_SGT:
3061         if (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT) {
3062           std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3063           Cond = ICmpInst::ICMP_SLT;
3064           break;
3065         }
3066         continue;
3067       case ICmpInst::ICMP_NE:
3068         // Expressions like (x >u 0) are often canonicalized to (x != 0),
3069         // so check for this case by checking if the NE is comparing against
3070         // a minimum or maximum constant.
3071         if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred))
3072           if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(PreCondRHS)) {
3073             const APInt &A = CI->getValue();
3074             switch (Pred) {
3075             case ICmpInst::ICMP_SLT:
3076               if (A.isMaxSignedValue()) break;
3077               continue;
3078             case ICmpInst::ICMP_SGT:
3079               if (A.isMinSignedValue()) break;
3080               continue;
3081             case ICmpInst::ICMP_ULT:
3082               if (A.isMaxValue()) break;
3083               continue;
3084             case ICmpInst::ICMP_UGT:
3085               if (A.isMinValue()) break;
3086               continue;
3087             default:
3088               continue;
3089             }
3090             Cond = ICmpInst::ICMP_NE;
3091             // NE is symmetric but the original comparison may not be. Swap
3092             // the operands if necessary so that they match below.
3093             if (isa<SCEVConstant>(LHS))
3094               std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3095             break;
3096           }
3097         continue;
3098       default:
3099         // We weren't able to reconcile the condition.
3100         continue;
3101       }
3102
3103     if (!PreCondLHS->getType()->isInteger()) continue;
3104
3105     SCEVHandle PreCondLHSSCEV = getSCEV(PreCondLHS);
3106     SCEVHandle PreCondRHSSCEV = getSCEV(PreCondRHS);
3107     if ((LHS == PreCondLHSSCEV && RHS == PreCondRHSSCEV) ||
3108         (LHS == getNotSCEV(PreCondRHSSCEV) &&
3109          RHS == getNotSCEV(PreCondLHSSCEV)))
3110       return true;
3111   }
3112
3113   return false;
3114 }
3115
3116 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
3117 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
3118 /// UnknownValue.
3119 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo ScalarEvolution::
3120 HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L, bool isSigned) {
3121   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
3122   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
3123
3124   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
3125   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
3126     return UnknownValue;
3127
3128   if (AddRec->isAffine()) {
3129     // FORNOW: We only support unit strides.
3130     unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(AddRec->getType());
3131     SCEVHandle Step = AddRec->getStepRecurrence(*this);
3132     SCEVHandle NegOne = getIntegerSCEV(-1, AddRec->getType());
3133
3134     // TODO: handle non-constant strides.
3135     const SCEVConstant *CStep = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
3136     if (!CStep || CStep->isZero())
3137       return UnknownValue;
3138     if (CStep->getValue()->getValue() == 1) {
3139       // With unit stride, the iteration never steps past the limit value.
3140     } else if (CStep->getValue()->getValue().isStrictlyPositive()) {
3141       if (const SCEVConstant *CLimit = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
3142         // Test whether a positive iteration iteration can step past the limit
3143         // value and past the maximum value for its type in a single step.
3144         if (isSigned) {
3145           APInt Max = APInt::getSignedMaxValue(BitWidth);
3146           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
3147                 .slt(CLimit->getValue()->getValue()))
3148             return UnknownValue;
3149         } else {
3150           APInt Max = APInt::getMaxValue(BitWidth);
3151           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
3152                 .ult(CLimit->getValue()->getValue()))
3153             return UnknownValue;
3154         }
3155       } else
3156         // TODO: handle non-constant limit values below.
3157         return UnknownValue;
3158     } else
3159       // TODO: handle negative strides below.
3160       return UnknownValue;
3161
3162     // We know the LHS is of the form {n,+,s} and the RHS is some loop-invariant
3163     // m.  So, we count the number of iterations in which {n,+,s} < m is true.
3164     // Note that we cannot simply return max(m-n,0)/s because it's not safe to
3165     // treat m-n as signed nor unsigned due to overflow possibility.
3166
3167     // First, we get the value of the LHS in the first iteration: n
3168     SCEVHandle Start = AddRec->getOperand(0);
3169
3170     // Determine the minimum constant start value.
3171     SCEVHandle MinStart = isa<SCEVConstant>(Start) ? Start :
3172       getConstant(isSigned ? APInt::getSignedMinValue(BitWidth) :
3173                              APInt::getMinValue(BitWidth));
3174
3175     // If we know that the condition is true in order to enter the loop,
3176     // then we know that it will run exactly (m-n)/s times. Otherwise, we
3177     // only know if will execute (max(m,n)-n)/s times. In both cases, the
3178     // division must round up.
3179     SCEVHandle End = RHS;
3180     if (!isLoopGuardedByCond(L,
3181                              isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
3182                              getMinusSCEV(Start, Step), RHS))
3183       End = isSigned ? getSMaxExpr(RHS, Start)
3184                      : getUMaxExpr(RHS, Start);
3185
3186     // Determine the maximum constant end value.
3187     SCEVHandle MaxEnd = isa<SCEVConstant>(End) ? End :
3188       getConstant(isSigned ? APInt::getSignedMaxValue(BitWidth) :
3189                              APInt::getMaxValue(BitWidth));
3190
3191     // Finally, we subtract these two values and divide, rounding up, to get
3192     // the number of times the backedge is executed.
3193     SCEVHandle BECount = getUDivExpr(getAddExpr(getMinusSCEV(End, Start),
3194                                                 getAddExpr(Step, NegOne)),
3195                                      Step);
3196
3197     // The maximum backedge count is similar, except using the minimum start
3198     // value and the maximum end value.
3199     SCEVHandle MaxBECount = getUDivExpr(getAddExpr(getMinusSCEV(MaxEnd,
3200                                                                 MinStart),
3201                                                    getAddExpr(Step, NegOne)),
3202                                         Step);
3203
3204     return BackedgeTakenInfo(BECount, MaxBECount);
3205   }
3206
3207   return UnknownValue;
3208 }
3209
3210 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
3211 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
3212 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
3213 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
3214 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
3215 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range,
3216                                                    ScalarEvolution &SE) const {
3217   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
3218     return SE.getCouldNotCompute();
3219
3220   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
3221   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
3222     if (!SC->getValue()->isZero()) {
3223       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
3224       Operands[0] = SE.getIntegerSCEV(0, SC->getType());
3225       SCEVHandle Shifted = SE.getAddRecExpr(Operands, getLoop());
3226       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
3227         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
3228                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()), SE);
3229       // This is strange and shouldn't happen.
3230       return SE.getCouldNotCompute();
3231     }
3232
3233   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
3234   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
3235   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
3236     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
3237       return SE.getCouldNotCompute();
3238
3239
3240   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
3241   // that the start element is zero.
3242
3243   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
3244   // iteration exits.
3245   unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(getType());
3246   if (!Range.contains(APInt(BitWidth, 0)))
3247     return SE.getConstant(ConstantInt::get(getType(),0));
3248
3249   if (isAffine()) {
3250     // If this is an affine expression then we have this situation:
3251     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
3252
3253     // We know that zero is in the range.  If A is positive then we know that
3254     // the upper value of the range must be the first possible exit value.
3255     // If A is negative then the lower of the range is the last possible loop
3256     // value.  Also note that we already checked for a full range.
3257     APInt One(BitWidth,1);
3258     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
3259     APInt End = A.sge(One) ? (Range.getUpper() - One) : Range.getLower();
3260
3261     // The exit value should be (End+A)/A.
3262     APInt ExitVal = (End + A).udiv(A);
3263     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(ExitVal);
3264
3265     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
3266     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
3267     // things must have happened.
3268     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue, SE);
3269     if (Range.contains(Val->getValue()))
3270       return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3271
3272     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
3273     assert(Range.contains(
3274            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
3275            ConstantInt::get(ExitVal - One), SE)->getValue()) &&
3276            "Linear scev computation is off in a bad way!");
3277     return SE.getConstant(ExitValue);
3278   } else if (isQuadratic()) {
3279     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
3280     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
3281     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
3282     // Range.getUpper() is crossed.
3283     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
3284     NewOps[0] = SE.getNegativeSCEV(SE.getConstant(Range.getUpper()));
3285     SCEVHandle NewAddRec = SE.getAddRecExpr(NewOps, getLoop());
3286
3287     // Next, solve the constructed addrec
3288     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
3289       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec), SE);
3290     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
3291     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
3292     if (R1) {
3293       // Pick the smallest positive root value.
3294       if (ConstantInt *CB =
3295           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
3296                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
3297         if (CB->getZExtValue() == false)
3298           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
3299
3300         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
3301         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
3302         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
3303         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
3304                                                              R1->getValue(),
3305                                                              SE);
3306         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
3307           // The next iteration must be out of the range...
3308           ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()+1);
3309
3310           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
3311           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
3312             return SE.getConstant(NextVal);
3313           return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3314         }
3315
3316         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
3317         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
3318         ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()-1);
3319         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
3320         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
3321           return R1;
3322         return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3323       }
3324     }
3325   }
3326
3327   return SE.getCouldNotCompute();
3328 }
3329
3330
3331
3332 //===----------------------------------------------------------------------===//
3333 //                   ScalarEvolution Class Implementation
3334 //===----------------------------------------------------------------------===//
3335
3336 ScalarEvolution::ScalarEvolution()
3337   : FunctionPass(&ID), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {
3338 }
3339
3340 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
3341   this->F = &F;
3342   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
3343   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
3344   return false;
3345 }
3346
3347 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
3348   Scalars.clear();
3349   BackedgeTakenCounts.clear();
3350   ConstantEvolutionLoopExitValue.clear();
3351 }
3352
3353 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
3354   AU.setPreservesAll();
3355   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
3356 }
3357
3358 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
3359   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getBackedgeTakenCount(L));
3360 }
3361
3362 static void PrintLoopInfo(raw_ostream &OS, ScalarEvolution *SE,
3363                           const Loop *L) {
3364   // Print all inner loops first
3365   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
3366     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
3367
3368   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
3369
3370   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
3371   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
3372   if (ExitBlocks.size() != 1)
3373     OS << "<multiple exits> ";
3374
3375   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L)) {
3376     OS << "backedge-taken count is " << *SE->getBackedgeTakenCount(L);
3377   } else {
3378     OS << "Unpredictable backedge-taken count. ";
3379   }
3380
3381   OS << "\n";
3382 }
3383
3384 void ScalarEvolution::print(raw_ostream &OS, const Module* ) const {
3385   // ScalarEvolution's implementaiton of the print method is to print
3386   // out SCEV values of all instructions that are interesting. Doing
3387   // this potentially causes it to create new SCEV objects though,
3388   // which technically conflicts with the const qualifier. This isn't
3389   // observable from outside the class though (the hasSCEV function
3390   // notwithstanding), so casting away the const isn't dangerous.
3391   ScalarEvolution &SE = *const_cast<ScalarEvolution*>(this);
3392
3393   OS << "Classifying expressions for: " << F->getName() << "\n";
3394   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
3395     if (isSCEVable(I->getType())) {
3396       OS << *I;
3397       OS << "  -->  ";
3398       SCEVHandle SV = SE.getSCEV(&*I);
3399       SV->print(OS);
3400       OS << "\t\t";
3401
3402       if (const Loop *L = LI->getLoopFor((*I).getParent())) {
3403         OS << "Exits: ";
3404         SCEVHandle ExitValue = SE.getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
3405         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
3406           OS << "<<Unknown>>";
3407         } else {
3408           OS << *ExitValue;
3409         }
3410       }
3411
3412
3413       OS << "\n";
3414     }
3415
3416   OS << "Determining loop execution counts for: " << F->getName() << "\n";
3417   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
3418     PrintLoopInfo(OS, &SE, *I);
3419 }
3420
3421 void ScalarEvolution::print(std::ostream &o, const Module *M) const {
3422   raw_os_ostream OS(o);
3423   print(OS, M);
3424 }