Fix last night's 445.gobmk breakage which was caused by comparison of
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains the implementation of the scalar evolution analysis
11 // engine, which is used primarily to analyze expressions involving induction
12 // variables in loops.
13 //
14 // There are several aspects to this library.  First is the representation of
15 // scalar expressions, which are represented as subclasses of the SCEV class.
16 // These classes are used to represent certain types of subexpressions that we
17 // can handle.  These classes are reference counted, managed by the SCEVHandle
18 // class.  We only create one SCEV of a particular shape, so pointer-comparisons
19 // for equality are legal.
20 //
21 // One important aspect of the SCEV objects is that they are never cyclic, even
22 // if there is a cycle in the dataflow for an expression (ie, a PHI node).  If
23 // the PHI node is one of the idioms that we can represent (e.g., a polynomial
24 // recurrence) then we represent it directly as a recurrence node, otherwise we
25 // represent it as a SCEVUnknown node.
26 //
27 // In addition to being able to represent expressions of various types, we also
28 // have folders that are used to build the *canonical* representation for a
29 // particular expression.  These folders are capable of using a variety of
30 // rewrite rules to simplify the expressions.
31 //
32 // Once the folders are defined, we can implement the more interesting
33 // higher-level code, such as the code that recognizes PHI nodes of various
34 // types, computes the execution count of a loop, etc.
35 //
36 // TODO: We should use these routines and value representations to implement
37 // dependence analysis!
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40 //
41 // There are several good references for the techniques used in this analysis.
42 //
43 //  Chains of recurrences -- a method to expedite the evaluation
44 //  of closed-form functions
45 //  Olaf Bachmann, Paul S. Wang, Eugene V. Zima
46 //
47 //  On computational properties of chains of recurrences
48 //  Eugene V. Zima
49 //
50 //  Symbolic Evaluation of Chains of Recurrences for Loop Optimization
51 //  Robert A. van Engelen
52 //
53 //  Efficient Symbolic Analysis for Optimizing Compilers
54 //  Robert A. van Engelen
55 //
56 //  Using the chains of recurrences algebra for data dependence testing and
57 //  induction variable substitution
58 //  MS Thesis, Johnie Birch
59 //
60 //===----------------------------------------------------------------------===//
61
62 #define DEBUG_TYPE "scalar-evolution"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Constants.h"
65 #include "llvm/DerivedTypes.h"
66 #include "llvm/GlobalVariable.h"
67 #include "llvm/Instructions.h"
68 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
69 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
70 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
71 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
72 #include "llvm/Support/CFG.h"
73 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
74 #include "llvm/Support/Compiler.h"
75 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
76 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
77 #include "llvm/Support/ManagedStatic.h"
78 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
79 #include "llvm/Support/Streams.h"
80 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
81 #include <ostream>
82 #include <algorithm>
83 #include <cmath>
84 using namespace llvm;
85
86 STATISTIC(NumBruteForceEvaluations,
87           "Number of brute force evaluations needed to "
88           "calculate high-order polynomial exit values");
89 STATISTIC(NumArrayLenItCounts,
90           "Number of trip counts computed with array length");
91 STATISTIC(NumTripCountsComputed,
92           "Number of loops with predictable loop counts");
93 STATISTIC(NumTripCountsNotComputed,
94           "Number of loops without predictable loop counts");
95 STATISTIC(NumBruteForceTripCountsComputed,
96           "Number of loops with trip counts computed by force");
97
98 cl::opt<unsigned>
99 MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
100                         cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will "
101                                  "symbolically execute a constant derived loop"),
102                         cl::init(100));
103
104 namespace {
105   RegisterPass<ScalarEvolution>
106   R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis");
107 }
108
109 //===----------------------------------------------------------------------===//
110 //                           SCEV class definitions
111 //===----------------------------------------------------------------------===//
112
113 //===----------------------------------------------------------------------===//
114 // Implementation of the SCEV class.
115 //
116 SCEV::~SCEV() {}
117 void SCEV::dump() const {
118   print(cerr);
119 }
120
121 /// getValueRange - Return the tightest constant bounds that this value is
122 /// known to have.  This method is only valid on integer SCEV objects.
123 ConstantRange SCEV::getValueRange() const {
124   const Type *Ty = getType();
125   assert(Ty->isInteger() && "Can't get range for a non-integer SCEV!");
126   // Default to a full range if no better information is available.
127   return ConstantRange(getBitWidth());
128 }
129
130 uint32_t SCEV::getBitWidth() const {
131   if (const IntegerType* ITy = dyn_cast<IntegerType>(getType()))
132     return ITy->getBitWidth();
133   return 0;
134 }
135
136
137 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
138
139 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
140   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
141   return false;
142 }
143
144 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
145   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
146   return 0;
147 }
148
149 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
150   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
151   return false;
152 }
153
154 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
155 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
156                                   const SCEVHandle &Conc) const {
157   return this;
158 }
159
160 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
161   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
162 }
163
164 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
165   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
166 }
167
168
169 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
170 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
171 // never be deleted!
172 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
173
174
175 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
176   SCEVConstants->erase(V);
177 }
178
179 SCEVHandle SCEVConstant::get(ConstantInt *V) {
180   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
181   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
182   return R;
183 }
184
185 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
186   return ConstantRange(V->getValue());
187 }
188
189 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
190
191 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
192   WriteAsOperand(OS, V, false);
193 }
194
195 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
196 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
197 // never be deleted!
198 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, 
199                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
200
201 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
202   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
203   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
204          "Cannot truncate non-integer value!");
205   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits()
206          && "This is not a truncating conversion!");
207 }
208
209 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
210   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
211 }
212
213 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
214   return getOperand()->getValueRange().truncate(getBitWidth());
215 }
216
217 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
218   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
219 }
220
221 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
222 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
223 // be deleted!
224 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
225                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
226
227 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
228   : SCEV(scZeroExtend), Op(op), Ty(ty) {
229   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
230          "Cannot zero extend non-integer value!");
231   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
232          && "This is not an extending conversion!");
233 }
234
235 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
236   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
237 }
238
239 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
240   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getBitWidth());
241 }
242
243 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
244   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
245 }
246
247 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
248 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
249 // be deleted!
250 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
251                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
252
253 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
254   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(),
255                                       std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
256                                                          Operands.end())));
257 }
258
259 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
260   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
261   const char *OpStr = getOperationStr();
262   OS << "(" << *Operands[0];
263   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
264     OS << OpStr << *Operands[i];
265   OS << ")";
266 }
267
268 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
269 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
270                                   const SCEVHandle &Conc) const {
271   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
272     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
273     if (H != getOperand(i)) {
274       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
275       NewOps.reserve(getNumOperands());
276       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
277         NewOps.push_back(getOperand(j));
278       NewOps.push_back(H);
279       for (++i; i != e; ++i)
280         NewOps.push_back(getOperand(i)->
281                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
282
283       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
284         return SCEVAddExpr::get(NewOps);
285       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
286         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
287       else
288         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
289     }
290   }
291   return this;
292 }
293
294
295 // SCEVSDivs - Only allow the creation of one SCEVSDivExpr for any particular
296 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
297 // deleted!
298 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, 
299                      SCEVSDivExpr*> > SCEVSDivs;
300
301 SCEVSDivExpr::~SCEVSDivExpr() {
302   SCEVSDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
303 }
304
305 void SCEVSDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
306   OS << "(" << *LHS << " /s " << *RHS << ")";
307 }
308
309 const Type *SCEVSDivExpr::getType() const {
310   return LHS->getType();
311 }
312
313 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
314 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
315 // be deleted!
316 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
317                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
318
319 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
320   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L,
321                                         std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
322                                                            Operands.end())));
323 }
324
325 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
326 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
327                                   const SCEVHandle &Conc) const {
328   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
329     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
330     if (H != getOperand(i)) {
331       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
332       NewOps.reserve(getNumOperands());
333       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
334         NewOps.push_back(getOperand(j));
335       NewOps.push_back(H);
336       for (++i; i != e; ++i)
337         NewOps.push_back(getOperand(i)->
338                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
339
340       return get(NewOps, L);
341     }
342   }
343   return this;
344 }
345
346
347 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
348   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
349   // contain L and if the start is invariant.
350   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
351          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
352 }
353
354
355 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
356   OS << "{" << *Operands[0];
357   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
358     OS << ",+," << *Operands[i];
359   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
360 }
361
362 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
363 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
364 // deleted!
365 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
366
367 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
368
369 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
370   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
371   // invariant if they are not contained in the specified loop.
372   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
373     return !L->contains(I->getParent());
374   return true;
375 }
376
377 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
378   return V->getType();
379 }
380
381 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
382   WriteAsOperand(OS, V, false);
383 }
384
385 //===----------------------------------------------------------------------===//
386 //                               SCEV Utilities
387 //===----------------------------------------------------------------------===//
388
389 namespace {
390   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
391   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
392   /// expressions.
393   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
394     bool operator()(SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
395       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
396     }
397   };
398 }
399
400 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
401 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
402 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
403 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
404 ///
405 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
406 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
407 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
408 /// land in memory.
409 ///
410 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
411   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
412   if (Ops.size() == 2) {
413     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
414     // Special case it.
415     if (Ops[0]->getSCEVType() > Ops[1]->getSCEVType())
416       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
417     return;
418   }
419
420   // Do the rough sort by complexity.
421   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
422
423   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
424   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
425   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
426   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
427   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
428     SCEV *S = Ops[i];
429     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
430
431     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
432     // one, group them.
433     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
434       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
435         // Move it to immediately after i'th element.
436         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
437         ++i;   // no need to rescan it.
438         if (i == e-2) return;  // Done!
439       }
440     }
441   }
442 }
443
444
445
446 //===----------------------------------------------------------------------===//
447 //                      Simple SCEV method implementations
448 //===----------------------------------------------------------------------===//
449
450 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
451 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
452 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
453   Constant *C;
454   if (Val == 0)
455     C = Constant::getNullValue(Ty);
456   else if (Ty->isFloatingPoint())
457     C = ConstantFP::get(Ty, Val);
458   else 
459     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
460   return SCEVUnknown::get(C);
461 }
462
463 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
464 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
465 /// extended.
466 static SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty) {
467   const Type *SrcTy = V->getType();
468   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
469          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
470   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() == Ty->getPrimitiveSizeInBits())
471     return V;  // No conversion
472   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits())
473     return SCEVTruncateExpr::get(V, Ty);
474   return SCEVZeroExtendExpr::get(V, Ty);
475 }
476
477 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
478 ///
479 SCEVHandle SCEV::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
480   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
481     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
482
483   return SCEVMulExpr::get(V, SCEVUnknown::getIntegerSCEV(-1, V->getType()));
484 }
485
486 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
487 ///
488 SCEVHandle SCEV::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
489   // X - Y --> X + -Y
490   return SCEVAddExpr::get(LHS, SCEV::getNegativeSCEV(RHS));
491 }
492
493
494 /// PartialFact - Compute V!/(V-NumSteps)!
495 static SCEVHandle PartialFact(SCEVHandle V, unsigned NumSteps) {
496   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
497   // counts while computing loop exit values.
498   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
499     APInt Val = SC->getValue()->getValue();
500     APInt Result(Val.getBitWidth(), 1);
501     for (; NumSteps; --NumSteps)
502       Result *= Val-(NumSteps-1);
503     return SCEVUnknown::get(ConstantInt::get(V->getType(), Result));
504   }
505
506   const Type *Ty = V->getType();
507   if (NumSteps == 0)
508     return SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
509
510   SCEVHandle Result = V;
511   for (unsigned i = 1; i != NumSteps; ++i)
512     Result = SCEVMulExpr::get(Result, SCEV::getMinusSCEV(V,
513                                           SCEVUnknown::getIntegerSCEV(i, Ty)));
514   return Result;
515 }
516
517
518 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
519 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
520 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
521 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
522 ///
523 ///   A*choose(It, 0) + B*choose(It, 1) + C*choose(It, 2) + D*choose(It, 3)
524 ///
525 /// FIXME/VERIFY: I don't trust that this is correct in the face of overflow.
526 /// Is the binomial equation safe using modular arithmetic??
527 ///
528 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It) const {
529   SCEVHandle Result = getStart();
530   int Divisor = 1;
531   const Type *Ty = It->getType();
532   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
533     SCEVHandle BC = PartialFact(It, i);
534     Divisor *= i;
535     SCEVHandle Val = SCEVSDivExpr::get(SCEVMulExpr::get(BC, getOperand(i)),
536                                        SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Divisor,Ty));
537     Result = SCEVAddExpr::get(Result, Val);
538   }
539   return Result;
540 }
541
542
543 //===----------------------------------------------------------------------===//
544 //                    SCEV Expression folder implementations
545 //===----------------------------------------------------------------------===//
546
547 SCEVHandle SCEVTruncateExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
548   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
549     return SCEVUnknown::get(
550         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
551
552   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
553   // all of the constants.
554   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
555     std::vector<SCEVHandle> Operands;
556     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
557       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
558       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
559         Operands.push_back(get(AddRec->getOperand(i), Ty));
560       else
561         break;
562     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
563       return SCEVAddRecExpr::get(Operands, AddRec->getLoop());
564   }
565
566   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
567   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
568   return Result;
569 }
570
571 SCEVHandle SCEVZeroExtendExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
572   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
573     return SCEVUnknown::get(
574         ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), Ty));
575
576   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
577   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
578   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
579   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
580
581   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
582   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
583   return Result;
584 }
585
586 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
587 SCEVHandle SCEVAddExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
588   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
589   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
590
591   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
592   GroupByComplexity(Ops);
593
594   // If there are any constants, fold them together.
595   unsigned Idx = 0;
596   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
597     ++Idx;
598     assert(Idx < Ops.size());
599     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
600       // We found two constants, fold them together!
601       Constant *Fold = ConstantExpr::getAdd(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
602       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
603         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
604         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
605         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
606         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
607       } else {
608         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
609         // that this is impossible to happen in practice because we always
610         // constant fold constant ints to constant ints.
611         ++Idx;
612       }
613     }
614
615     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
616     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
617       Ops.erase(Ops.begin());
618       --Idx;
619     }
620   }
621
622   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
623
624   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
625   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
626   // list, these values are required to be adjacent.
627   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
628   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
629     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
630       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
631       // remaining values to the result.
632       SCEVHandle Two = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(2, Ty);
633       SCEVHandle Mul = SCEVMulExpr::get(Ops[i], Two);
634       if (Ops.size() == 2)
635         return Mul;
636       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
637       Ops.push_back(Mul);
638       return SCEVAddExpr::get(Ops);
639     }
640
641   // Okay, now we know the first non-constant operand.  If there are add
642   // operands they would be next.
643   if (Idx < Ops.size()) {
644     bool DeletedAdd = false;
645     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
646       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
647       // list.
648       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
649       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
650       DeletedAdd = true;
651     }
652
653     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
654     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
655     // any operands we just aquired.
656     if (DeletedAdd)
657       return get(Ops);
658   }
659
660   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
661   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
662     ++Idx;
663
664   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
665   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
666   // the multiply.
667   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
668     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
669     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
670       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
671       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
672         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
673           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
674           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
675           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
676             // If the multiply has more than two operands, we must get the
677             // Y*Z term.
678             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
679             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
680             InnerMul = SCEVMulExpr::get(MulOps);
681           }
682           SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
683           SCEVHandle AddOne = SCEVAddExpr::get(InnerMul, One);
684           SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(AddOne, Ops[AddOp]);
685           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
686           if (AddOp < Idx) {
687             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
688             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
689           } else {
690             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
691             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
692           }
693           Ops.push_back(OuterMul);
694           return SCEVAddExpr::get(Ops);
695         }
696
697       // Check this multiply against other multiplies being added together.
698       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
699            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
700            ++OtherMulIdx) {
701         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
702         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
703         // together.
704         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
705              OMulOp != e; ++OMulOp)
706           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
707             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
708             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
709             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
710               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
711               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
712               InnerMul1 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
713             }
714             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
715             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
716               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
717                                              OtherMul->op_end());
718               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
719               InnerMul2 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
720             }
721             SCEVHandle InnerMulSum = SCEVAddExpr::get(InnerMul1,InnerMul2);
722             SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(MulOpSCEV, InnerMulSum);
723             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
724             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
725             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
726             Ops.push_back(OuterMul);
727             return SCEVAddExpr::get(Ops);
728           }
729       }
730     }
731   }
732
733   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
734   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
735   // recurrence.
736   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
737     ++Idx;
738
739   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
740   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
741     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
742     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
743     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
744     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
745     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
746       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
747         LIOps.push_back(Ops[i]);
748         Ops.erase(Ops.begin()+i);
749         --i; --e;
750       }
751
752     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
753     if (!LIOps.empty()) {
754       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
755       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
756
757       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
758       AddRecOps[0] = SCEVAddExpr::get(LIOps);
759
760       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(AddRecOps, AddRec->getLoop());
761       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
762       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
763
764       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
765       for (unsigned i = 0;; ++i)
766         if (Ops[i] == AddRec) {
767           Ops[i] = NewRec;
768           break;
769         }
770       return SCEVAddExpr::get(Ops);
771     }
772
773     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
774     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
775     // added together.  If so, we can fold them.
776     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
777          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
778       if (OtherIdx != Idx) {
779         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
780         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
781           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
782           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
783           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
784             if (i >= NewOps.size()) {
785               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
786                             OtherAddRec->op_end());
787               break;
788             }
789             NewOps[i] = SCEVAddExpr::get(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
790           }
791           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
792
793           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
794
795           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
796           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
797           Ops.push_back(NewAddRec);
798           return SCEVAddExpr::get(Ops);
799         }
800       }
801
802     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
803     // next one.
804   }
805
806   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
807   // already have one, otherwise create a new one.
808   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
809   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
810                                                                  SCEVOps)];
811   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
812   return Result;
813 }
814
815
816 SCEVHandle SCEVMulExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
817   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
818
819   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
820   GroupByComplexity(Ops);
821
822   // If there are any constants, fold them together.
823   unsigned Idx = 0;
824   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
825
826     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
827     if (Ops.size() == 2)
828       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
829         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
830             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
831           return SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(0)),
832                                   SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(1)));
833
834
835     ++Idx;
836     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
837       // We found two constants, fold them together!
838       Constant *Fold = ConstantExpr::getMul(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
839       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
840         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
841         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
842         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
843         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
844       } else {
845         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
846         // that this is impossible to happen in practice because we always
847         // constant fold constant ints to constant ints.
848         ++Idx;
849       }
850     }
851
852     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
853     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
854       Ops.erase(Ops.begin());
855       --Idx;
856     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
857       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
858       return Ops[0];
859     }
860   }
861
862   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
863   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
864     ++Idx;
865
866   if (Ops.size() == 1)
867     return Ops[0];
868
869   // If there are mul operands inline them all into this expression.
870   if (Idx < Ops.size()) {
871     bool DeletedMul = false;
872     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
873       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
874       // list.
875       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
876       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
877       DeletedMul = true;
878     }
879
880     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
881     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
882     // any operands we just aquired.
883     if (DeletedMul)
884       return get(Ops);
885   }
886
887   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
888   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
889   // recurrence.
890   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
891     ++Idx;
892
893   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
894   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
895     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
896     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
897     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
898     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
899     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
900       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
901         LIOps.push_back(Ops[i]);
902         Ops.erase(Ops.begin()+i);
903         --i; --e;
904       }
905
906     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
907     if (!LIOps.empty()) {
908       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
909       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
910       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
911       if (LIOps.size() == 1) {
912         SCEV *Scale = LIOps[0];
913         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
914           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(Scale, AddRec->getOperand(i)));
915       } else {
916         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
917           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
918           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
919           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(MulOps));
920         }
921       }
922
923       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
924
925       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
926       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
927
928       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
929       for (unsigned i = 0;; ++i)
930         if (Ops[i] == AddRec) {
931           Ops[i] = NewRec;
932           break;
933         }
934       return SCEVMulExpr::get(Ops);
935     }
936
937     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
938     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
939     // multiplied together.  If so, we can fold them.
940     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
941          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
942       if (OtherIdx != Idx) {
943         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
944         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
945           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
946           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
947           SCEVHandle NewStart = SCEVMulExpr::get(F->getStart(),
948                                                  G->getStart());
949           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence();
950           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence();
951           SCEVHandle NewStep = SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(F, D),
952                                                 SCEVMulExpr::get(G, B),
953                                                 SCEVMulExpr::get(B, D));
954           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewStart, NewStep,
955                                                      F->getLoop());
956           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
957
958           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
959           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
960           Ops.push_back(NewAddRec);
961           return SCEVMulExpr::get(Ops);
962         }
963       }
964
965     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
966     // next one.
967   }
968
969   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
970   // already have one, otherwise create a new one.
971   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
972   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
973                                                                  SCEVOps)];
974   if (Result == 0)
975     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
976   return Result;
977 }
978
979 SCEVHandle SCEVSDivExpr::get(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
980   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
981     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
982       return LHS;                            // X sdiv 1 --> x
983     if (RHSC->getValue()->isAllOnesValue())
984       return SCEV::getNegativeSCEV(LHS);           // X sdiv -1  -->  -x
985
986     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
987       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
988       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
989       return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getSDiv(LHSCV, RHSCV));
990     }
991   }
992
993   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
994
995   SCEVSDivExpr *&Result = (*SCEVSDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
996   if (Result == 0) Result = new SCEVSDivExpr(LHS, RHS);
997   return Result;
998 }
999
1000
1001 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1002 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1003 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(const SCEVHandle &Start,
1004                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1005   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1006   Operands.push_back(Start);
1007   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1008     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1009       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1010                       StepChrec->op_end());
1011       return get(Operands, L);
1012     }
1013
1014   Operands.push_back(Step);
1015   return get(Operands, L);
1016 }
1017
1018 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1019 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1020 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1021                                const Loop *L) {
1022   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1023
1024   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
1025     if (StepC->getValue()->isNullValue()) {
1026       Operands.pop_back();
1027       return get(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
1028     }
1029
1030   SCEVAddRecExpr *&Result =
1031     (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1032                                                             Operands.end()))];
1033   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1034   return Result;
1035 }
1036
1037 SCEVHandle SCEVUnknown::get(Value *V) {
1038   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1039     return SCEVConstant::get(CI);
1040   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1041   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1042   return Result;
1043 }
1044
1045
1046 //===----------------------------------------------------------------------===//
1047 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1048 //===----------------------------------------------------------------------===//
1049 //
1050 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1051 /// evolution code.
1052 ///
1053 namespace {
1054   struct VISIBILITY_HIDDEN ScalarEvolutionsImpl {
1055     /// F - The function we are analyzing.
1056     ///
1057     Function &F;
1058
1059     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1060     ///
1061     LoopInfo &LI;
1062
1063     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1064     /// things.
1065     SCEVHandle UnknownValue;
1066
1067     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1068     ///
1069     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1070
1071     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1072     /// function as they are computed.
1073     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1074
1075     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1076     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1077     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1078     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1079     /// exit value.
1080     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1081
1082   public:
1083     ScalarEvolutionsImpl(Function &f, LoopInfo &li)
1084       : F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1085
1086     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1087     /// expression and create a new one.
1088     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1089
1090     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1091     /// computed.
1092     bool hasSCEV(Value *V) const {
1093       return Scalars.count(V);
1094     }
1095
1096     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
1097     /// the specified value.
1098     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
1099       bool isNew = Scalars.insert(std::make_pair(V, H)).second;
1100       assert(isNew && "This entry already existed!");
1101     }
1102
1103
1104     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1105     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1106     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1107     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1108
1109
1110     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1111     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1112     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1113
1114     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1115     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1116     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1117     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1118
1119     /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1120     /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1121     /// that no dangling references are left around.
1122     void deleteInstructionFromRecords(Instruction *I);
1123
1124   private:
1125     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1126     /// Analyze the expression.
1127     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1128
1129     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1130     /// SCEVs.
1131     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1132
1133     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
1134     /// for the specified instruction and replaces any references to the
1135     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
1136     /// PHI resolution.
1137     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
1138                                           const SCEVHandle &SymName,
1139                                           const SCEVHandle &NewVal);
1140
1141     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1142     /// will iterate.
1143     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1144
1145     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1146     /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1147     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1148                                                         Constant *RHS,
1149                                                         const Loop *L,
1150                                                         ICmpInst::Predicate p);
1151
1152     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1153     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1154     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1155     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1156     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1157     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1158                                                  bool ExitWhen);
1159
1160     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1161     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1162     /// UnknownValue.
1163     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1164
1165     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1166     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1167     /// UnknownValue.
1168     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1169
1170     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
1171     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
1172     /// UnknownValue.
1173     SCEVHandle HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L);
1174
1175     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1176     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1177     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1178     /// involving constants, fold it.
1179     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its,
1180                                                 const Loop *L);
1181   };
1182 }
1183
1184 //===----------------------------------------------------------------------===//
1185 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1186 //
1187
1188 /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1189 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1190 /// that no dangling references are left around.
1191 void ScalarEvolutionsImpl::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) {
1192   Scalars.erase(I);
1193   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1194     ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1195 }
1196
1197
1198 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1199 /// expression and create a new one.
1200 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1201   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1202
1203   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1204   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1205   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1206   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1207   return S;
1208 }
1209
1210 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1211 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1212 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1213 void ScalarEvolutionsImpl::
1214 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1215                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1216   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1217   if (SI == Scalars.end()) return;
1218
1219   SCEVHandle NV =
1220     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal);
1221   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1222
1223   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1224
1225   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1226   // updated!
1227   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1228        UI != E; ++UI)
1229     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1230 }
1231
1232 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1233 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1234 ///
1235 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1236   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1237     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1238       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1239         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1240         // from outside the loop, and one from inside.
1241         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1242         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1243
1244         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1245         SCEVHandle SymbolicName = SCEVUnknown::get(PN);
1246         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1247                "PHI node already processed?");
1248         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1249
1250         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1251         // the back-edge.
1252         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1253
1254         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1255         // has a special value for the first iteration of the loop.
1256
1257         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1258         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1259         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1260           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1261           // with a recurrence.
1262           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1263           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1264             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1265               if (FoundIndex == e) {
1266                 FoundIndex = i;
1267                 break;
1268               }
1269
1270           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1271             // Create an add with everything but the specified operand.
1272             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1273             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1274               if (i != FoundIndex)
1275                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1276             SCEVHandle Accum = SCEVAddExpr::get(Ops);
1277
1278             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1279             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1280             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1281                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1282                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1283               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1284               SCEVHandle PHISCEV  = SCEVAddRecExpr::get(StartVal, Accum, L);
1285
1286               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1287               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1288               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1289               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1290               // value.
1291               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1292               return PHISCEV;
1293             }
1294           }
1295         } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1296           // Otherwise, this could be a loop like this:
1297           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1298           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1299           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1300           // i really is an addrec evolution.
1301           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1302             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1303
1304             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1305             // initial step of the addrec evolution.
1306             if (StartVal == SCEV::getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1307                                                AddRec->getOperand(1))) {
1308               SCEVHandle PHISCEV = 
1309                  SCEVAddRecExpr::get(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1310
1311               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1312               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1313               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1314               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1315               // value.
1316               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1317               return PHISCEV;
1318             }
1319           }
1320         }
1321
1322         return SymbolicName;
1323       }
1324
1325   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1326   return SCEVUnknown::get(PN);
1327 }
1328
1329 /// GetConstantFactor - Determine the largest constant factor that S has.  For
1330 /// example, turn {4,+,8} -> 4.    (S umod result) should always equal zero.
1331 static APInt GetConstantFactor(SCEVHandle S) {
1332   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
1333     APInt V = C->getValue()->getValue();
1334     if (!V.isMinValue())
1335       return V;
1336     else   // Zero is a multiple of everything.
1337       return APInt(C->getBitWidth(), 1).shl(C->getBitWidth()-1);
1338   }
1339
1340   if (SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1341     return GetConstantFactor(T->getOperand()) &
1342            cast<IntegerType>(T->getType())->getMask();
1343   if (SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S))
1344     return GetConstantFactor(E->getOperand());
1345   
1346   if (SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1347     // The result is the min of all operands.
1348     APInt Res = GetConstantFactor(A->getOperand(0));
1349     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); 
1350          i != e && Res.ugt(APInt(Res.getBitWidth(),1)); ++i)
1351       Res = APIntOps::umin(Res, GetConstantFactor(A->getOperand(i)));
1352     return Res;
1353   }
1354
1355   if (SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1356     // The result is the product of all the operands.
1357     APInt Res = GetConstantFactor(M->getOperand(0));
1358     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); i != e; ++i)
1359       Res *= GetConstantFactor(M->getOperand(i));
1360     return Res;
1361   }
1362     
1363   if (SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1364     // For now, we just handle linear expressions.
1365     if (A->getNumOperands() == 2) {
1366       // We want the GCD between the start and the stride value.
1367       APInt Start = GetConstantFactor(A->getOperand(0));
1368       if (Start == 1) 
1369         return APInt(A->getBitWidth(),1);
1370       APInt Stride = GetConstantFactor(A->getOperand(1));
1371       return APIntOps::GreatestCommonDivisor(Start, Stride);
1372     }
1373   }
1374   
1375   // SCEVSDivExpr, SCEVUnknown.
1376   return APInt(S->getBitWidth(), 1);
1377 }
1378
1379 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1380 /// Analyze the expression.
1381 ///
1382 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1383   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1384     switch (I->getOpcode()) {
1385     case Instruction::Add:
1386       return SCEVAddExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1387                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1388     case Instruction::Mul:
1389       return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1390                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1391     case Instruction::SDiv:
1392       return SCEVSDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1393                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1394       break;
1395
1396     case Instruction::Sub:
1397       return SCEV::getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)),
1398                                 getSCEV(I->getOperand(1)));
1399     case Instruction::Or:
1400       // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1401       // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an add so loop
1402       // optimizations will transparently handle this case.
1403       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1404         SCEVHandle LHS = getSCEV(I->getOperand(0));
1405         APInt CommonFact = GetConstantFactor(LHS);
1406         assert(!CommonFact.isMinValue() &&
1407                "Common factor should at least be 1!");
1408         CommonFact.zextOrTrunc(CI->getValue().getBitWidth());
1409         if (CommonFact.ugt(CI->getValue())) {
1410           // If the LHS is a multiple that is larger than the RHS, use +.
1411           return SCEVAddExpr::get(LHS,
1412                                   getSCEV(I->getOperand(1)));
1413         }
1414       }
1415       break;
1416       
1417     case Instruction::Shl:
1418       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1419       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1420         Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1421         X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1422         return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1423       }
1424       break;
1425
1426     case Instruction::Trunc:
1427       return SCEVTruncateExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1428
1429     case Instruction::ZExt:
1430       return SCEVZeroExtendExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1431
1432     case Instruction::BitCast:
1433       // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1434       if (I->getType()->isInteger() &&
1435           I->getOperand(0)->getType()->isInteger())
1436         return getSCEV(I->getOperand(0));
1437       break;
1438
1439     case Instruction::PHI:
1440       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
1441
1442     default: // We cannot analyze this expression.
1443       break;
1444     }
1445   }
1446
1447   return SCEVUnknown::get(V);
1448 }
1449
1450
1451
1452 //===----------------------------------------------------------------------===//
1453 //                   Iteration Count Computation Code
1454 //
1455
1456 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1457 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1458 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1459 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1460   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1461   if (I == IterationCounts.end()) {
1462     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1463     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1464     if (ItCount != UnknownValue) {
1465       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1466              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1467       ++NumTripCountsComputed;
1468     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1469       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1470       ++NumTripCountsNotComputed;
1471     }
1472   }
1473   return I->second;
1474 }
1475
1476 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1477 /// will iterate.
1478 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1479   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1480   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
1481   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1482   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1483
1484   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1485   // loop to be exited.
1486   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1487
1488   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1489   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1490        PI != E; ++PI)
1491     if (L->contains(*PI)) {
1492       if (ExitingBlock == 0)
1493         ExitingBlock = *PI;
1494       else
1495         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1496     }
1497   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1498
1499   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1500   // exit.
1501   //
1502   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1503   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1504   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1505   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1506   
1507   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
1508   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
1509   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
1510   // not be equal to the trip count of the loop.
1511   //
1512   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
1513   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
1514   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
1515   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
1516   // could be done to handle more cases here.
1517   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
1518       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
1519       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
1520     return UnknownValue;
1521   
1522   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
1523
1524   // If its not an integer comparison then compute it the hard way. 
1525   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
1526   // the type of the operand.
1527   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
1528     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1529                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1530
1531   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
1532   ICmpInst::Predicate Cond;
1533   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1534     Cond = ExitCond->getPredicate();
1535   else
1536     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
1537
1538   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1539   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1540     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1541       SCEVHandle ItCnt =
1542         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1543       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1544     }
1545
1546   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1547   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1548
1549   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1550   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1551   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1552   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1553   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1554
1555   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
1556   // loop the predicate will return true for these inputs.
1557   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1558     // If there is a constant, force it into the RHS.
1559     std::swap(LHS, RHS);
1560     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
1561   }
1562
1563   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1564   // while (P != P+100) ++P;
1565
1566   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1567   // ranges to answer this query.
1568   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1569     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1570       if (AddRec->getLoop() == L) {
1571         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1572         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1573         // comparison.
1574         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1575         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1576         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
1577           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
1578         if (CompVal) {
1579           // Form the constant range.
1580           ConstantRange CompRange(
1581               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
1582
1583           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, 
1584               false /*Always treat as unsigned range*/);
1585           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1586         }
1587       }
1588
1589   switch (Cond) {
1590   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
1591     // Convert to: while (X-Y != 0)
1592     SCEVHandle TC = HowFarToZero(SCEV::getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1593     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1594     break;
1595   }
1596   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
1597     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1598     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(SCEV::getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1599     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1600     break;
1601   }
1602   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
1603     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L);
1604     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1605     break;
1606   }
1607   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
1608     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(RHS, LHS, L);
1609     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1610     break;
1611   }
1612   default:
1613 #if 0
1614     cerr << "ComputeIterationCount ";
1615     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1616       cerr << "[unsigned] ";
1617     cerr << *LHS << "   "
1618          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
1619          << "   " << *RHS << "\n";
1620 #endif
1621     break;
1622   }
1623   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
1624                                        ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1625 }
1626
1627 static ConstantInt *
1628 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, Constant *C) {
1629   SCEVHandle InVal = SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(C));
1630   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal);
1631   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
1632          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
1633   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
1634 }
1635
1636 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
1637 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
1638 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
1639 /// invalid.
1640 static Constant *
1641 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
1642                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
1643   Constant *Init = GV->getInitializer();
1644   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
1645     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
1646     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
1647       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
1648       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
1649     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
1650       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
1651       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
1652     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
1653       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
1654         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
1655         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
1656       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
1657         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
1658         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
1659       } else {
1660         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
1661       }
1662       return 0;
1663     } else {
1664       return 0; // Unknown initializer type
1665     }
1666   }
1667   return Init;
1668 }
1669
1670 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1671 /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1672 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1673 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
1674                                          const Loop *L, 
1675                                          ICmpInst::Predicate predicate) {
1676   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
1677
1678   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
1679   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
1680   if (!GEP) return UnknownValue;
1681
1682   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
1683   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
1684   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
1685   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
1686       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
1687       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
1688     return UnknownValue;
1689
1690   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
1691   Value *VarIdx = 0;
1692   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
1693   unsigned VarIdxNum = 0;
1694   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
1695     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1696       Indexes.push_back(CI);
1697     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1698       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
1699       VarIdx = GEP->getOperand(i);
1700       VarIdxNum = i-2;
1701       Indexes.push_back(0);
1702     }
1703
1704   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
1705   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
1706   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
1707   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
1708   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
1709
1710   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
1711   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
1712   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
1713   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
1714       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
1715       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
1716     return UnknownValue;
1717
1718   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
1719   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
1720     ConstantInt *ItCst =
1721       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
1722     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst);
1723
1724     // Form the GEP offset.
1725     Indexes[VarIdxNum] = Val;
1726
1727     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
1728     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
1729
1730     // Evaluate the condition for this iteration.
1731     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
1732     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
1733     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
1734 #if 0
1735       cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
1736            << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
1737            << "***\n";
1738 #endif
1739       ++NumArrayLenItCounts;
1740       return SCEVConstant::get(ItCst);   // Found terminating iteration!
1741     }
1742   }
1743   return UnknownValue;
1744 }
1745
1746
1747 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
1748 /// specified type, assuming that all operands were constants.
1749 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
1750   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
1751       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
1752     return true;
1753
1754   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
1755     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
1756       return canConstantFoldCallTo((Function*)F);  // FIXME: elim cast
1757   return false;
1758 }
1759
1760 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
1761 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
1762 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
1763 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
1764 /// constraints, return null.
1765 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
1766   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
1767   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
1768   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1769   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
1770
1771   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1772     if (L->getHeader() == I->getParent())
1773       return PN;
1774     else
1775       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
1776       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
1777       return 0;
1778
1779   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
1780   // are constants, return early.
1781   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
1782
1783   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
1784   // constant or derived from a PHI node themselves.
1785   PHINode *PHI = 0;
1786   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
1787     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
1788           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
1789       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
1790       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
1791       if (PHI == 0)
1792         PHI = P;
1793       else if (PHI != P)
1794         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
1795     }
1796
1797   // This is a expression evolving from a constant PHI!
1798   return PHI;
1799 }
1800
1801 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
1802 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
1803 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
1804 /// reason, return null.
1805 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
1806   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
1807   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V))
1808     return GV;
1809   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
1810   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1811
1812   std::vector<Constant*> Operands;
1813   Operands.resize(I->getNumOperands());
1814
1815   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1816     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
1817     if (Operands[i] == 0) return 0;
1818   }
1819
1820   return ConstantFoldInstOperands(I, &Operands[0], Operands.size());
1821 }
1822
1823 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1824 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1825 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1826 /// involving constants, fold it.
1827 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
1828 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its, const Loop *L){
1829   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
1830     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
1831   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
1832     return I->second;
1833
1834   if (Its.ugt(APInt(Its.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
1835     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
1836
1837   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
1838
1839   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1840   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1841   // second must be derived from the same PHI.
1842   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1843   Constant *StartCST =
1844     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1845   if (StartCST == 0)
1846     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
1847
1848   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1849   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1850   if (PN2 != PN)
1851     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
1852
1853   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
1854   if (Its.getActiveBits() >= 32)
1855     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
1856
1857   unsigned NumIterations = Its.getZExtValue(); // must be in range
1858   unsigned IterationNum = 0;
1859   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
1860     if (IterationNum == NumIterations)
1861       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
1862
1863     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1864     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1865     if (NextPHI == PHIVal)
1866       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
1867     if (NextPHI == 0)
1868       return 0;        // Couldn't evaluate!
1869     PHIVal = NextPHI;
1870   }
1871 }
1872
1873 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1874 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1875 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1876 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1877 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1878 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1879 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
1880   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
1881   if (PN == 0) return UnknownValue;
1882
1883   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1884   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1885   // second must be derived from the same PHI.
1886   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1887   Constant *StartCST =
1888     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1889   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
1890
1891   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1892   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1893   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
1894
1895   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
1896   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
1897   // "ExitWhen".
1898   unsigned IterationNum = 0;
1899   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
1900   for (Constant *PHIVal = StartCST;
1901        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
1902     ConstantInt *CondVal =
1903       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
1904
1905     // Couldn't symbolically evaluate.
1906     if (!CondVal) return UnknownValue;
1907
1908     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
1909       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
1910       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
1911       return SCEVConstant::get(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
1912     }
1913
1914     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1915     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1916     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
1917       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
1918     PHIVal = NextPHI;
1919   }
1920
1921   // Too many iterations were needed to evaluate.
1922   return UnknownValue;
1923 }
1924
1925 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
1926 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1927 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
1928 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
1929   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
1930
1931   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
1932
1933   // If this instruction is evolves from a constant-evolving PHI, compute the
1934   // exit value from the loop without using SCEVs.
1935   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
1936     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
1937       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
1938       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
1939         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1940           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
1941             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
1942             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
1943             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
1944             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
1945             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
1946               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
1947               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
1948               // the specified iteration number.
1949               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
1950                                                     ICC->getValue()->getValue(),
1951                                                                LI);
1952               if (RV) return SCEVUnknown::get(RV);
1953             }
1954           }
1955
1956       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
1957       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
1958       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
1959       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
1960       if (CanConstantFold(I)) {
1961         std::vector<Constant*> Operands;
1962         Operands.reserve(I->getNumOperands());
1963         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1964           Value *Op = I->getOperand(i);
1965           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
1966             Operands.push_back(C);
1967           } else {
1968             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
1969             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
1970               Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(SC->getValue(), 
1971                                                               Op->getType(), 
1972                                                               false));
1973             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
1974               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
1975                 Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(C, 
1976                                                                 Op->getType(), 
1977                                                                 false));
1978               else
1979                 return V;
1980             } else {
1981               return V;
1982             }
1983           }
1984         }
1985         Constant *C =ConstantFoldInstOperands(I, &Operands[0], Operands.size());
1986         return SCEVUnknown::get(C);
1987       }
1988     }
1989
1990     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
1991     return V;
1992   }
1993
1994   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
1995     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
1996     // expression has no loop-variant portions.
1997     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1998       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1999       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2000         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2001         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2002         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2003         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2004         NewOps.push_back(OpAtScope);
2005
2006         for (++i; i != e; ++i) {
2007           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2008           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2009           NewOps.push_back(OpAtScope);
2010         }
2011         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2012           return SCEVAddExpr::get(NewOps);
2013         assert(isa<SCEVMulExpr>(Comm) && "Only know about add and mul!");
2014         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
2015       }
2016     }
2017     // If we got here, all operands are loop invariant.
2018     return Comm;
2019   }
2020
2021   if (SCEVSDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVSDivExpr>(V)) {
2022     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2023     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2024     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2025     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2026     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2027       return Div;   // must be loop invariant
2028     return SCEVSDivExpr::get(LHS, RHS);
2029   }
2030
2031   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2032   // are dealing with the final value computed by the loop.
2033   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2034     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2035       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2036       // loop iterates.  Compute this now.
2037       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
2038       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2039       IterationCount = getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
2040                                                AddRec->getType());
2041
2042       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
2043       // Start + Step*IterationCount.
2044       if (AddRec->isAffine())
2045         return SCEVAddExpr::get(AddRec->getStart(),
2046                                 SCEVMulExpr::get(IterationCount,
2047                                                  AddRec->getOperand(1)));
2048
2049       // Otherwise, evaluate it the hard way.
2050       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount);
2051     }
2052     return UnknownValue;
2053   }
2054
2055   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2056   return UnknownValue;
2057 }
2058
2059
2060 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2061 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2062 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2063 ///
2064 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2065 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec) {
2066   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2067   SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2068   SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2069   SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2070
2071   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2072   if (!LC || !MC || !NC) {
2073     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2074     return std::make_pair(CNC, CNC);
2075   }
2076
2077   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2078   APInt L(LC->getValue()->getValue());
2079   APInt M(MC->getValue()->getValue());
2080   APInt N(MC->getValue()->getValue());
2081   APInt Two(BitWidth, 2);
2082   APInt Four(BitWidth, 4);
2083
2084   { 
2085     using namespace APIntOps;
2086     APInt C(L);
2087     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2088     // The B coefficient is M-N/2
2089     APInt B(M);
2090     B -= sdiv(N,Two);
2091
2092     // The A coefficient is N/2
2093     APInt A(N);
2094     A = A.sdiv(Two);
2095
2096     // Compute the B^2-4ac term.
2097     APInt SqrtTerm(B);
2098     SqrtTerm *= B;
2099     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2100
2101     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2102     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2103     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2104
2105     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2106     // The divisions must be performed as signed divisions.
2107     APInt NegB(-B);
2108     APInt TwoA( A * Two );
2109     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2110     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2111
2112     return std::make_pair(SCEVUnknown::get(Solution1), 
2113                           SCEVUnknown::get(Solution2));
2114     } // end APIntOps namespace
2115 }
2116
2117 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2118 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2119 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2120   // If the value is a constant
2121   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2122     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2123     if (C->getValue()->isNullValue()) return C;
2124     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2125   }
2126
2127   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2128   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2129     return UnknownValue;
2130
2131   if (AddRec->isAffine()) {
2132     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
2133     // equal to:
2134     //
2135     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
2136     //
2137     // Get the initial value for the loop.
2138     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2139     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2140     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
2141
2142     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
2143
2144     // Figure out if Start % Step == 0.
2145     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
2146     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2147       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
2148         return SCEV::getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
2149       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
2150         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
2151
2152       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
2153       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
2154         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
2155         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
2156         Constant *Rem = ConstantExpr::getSRem(StartNegC, StepC->getValue());
2157         if (Rem->isNullValue()) {
2158           Constant *Result =ConstantExpr::getSDiv(StartNegC,StepC->getValue());
2159           return SCEVUnknown::get(Result);
2160         }
2161       }
2162     }
2163   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2164     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2165     // the quadratic equation to solve it.
2166     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec);
2167     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2168     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2169     if (R1) {
2170 #if 0
2171       cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2172            << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2173 #endif
2174       // Pick the smallest positive root value.
2175       if (ConstantInt *CB =
2176           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2177                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2178         if (CB->getZExtValue() == false)
2179           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2180
2181         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2182         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2183         // should not accept a root of 2.
2184         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1);
2185         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
2186           if (EvalVal->getValue()->isNullValue())
2187             return R1;  // We found a quadratic root!
2188       }
2189     }
2190   }
2191
2192   return UnknownValue;
2193 }
2194
2195 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2196 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2197 /// UnknownValue
2198 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2199   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2200   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2201   // future as needed.
2202
2203   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2204   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2205   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2206     Constant *Zero = Constant::getNullValue(C->getValue()->getType());
2207     Constant *NonZero = 
2208       ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_NE, C->getValue(), Zero);
2209     if (NonZero == ConstantInt::getTrue())
2210       return getSCEV(Zero);
2211     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2212   }
2213
2214   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2215   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2216   return UnknownValue;
2217 }
2218
2219 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
2220 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
2221 /// UnknownValue.
2222 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2223 HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L) {
2224   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
2225   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
2226
2227   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
2228   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2229     return UnknownValue;
2230
2231   if (AddRec->isAffine()) {
2232     // FORNOW: We only support unit strides.
2233     SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, RHS->getType());
2234     if (AddRec->getOperand(1) != One)
2235       return UnknownValue;
2236
2237     // The number of iterations for "[n,+,1] < m", is m-n.  However, we don't
2238     // know that m is >= n on input to the loop.  If it is, the condition return
2239     // true zero times.  What we really should return, for full generality, is
2240     // SMAX(0, m-n).  Since we cannot check this, we will instead check for a
2241     // canonical loop form: most do-loops will have a check that dominates the
2242     // loop, that only enters the loop if [n-1]<m.  If we can find this check,
2243     // we know that the SMAX will evaluate to m-n, because we know that m >= n.
2244
2245     // Search for the check.
2246     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
2247     BasicBlock *PreheaderDest = L->getHeader();
2248     if (Preheader == 0) return UnknownValue;
2249
2250     BranchInst *LoopEntryPredicate =
2251       dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2252     if (!LoopEntryPredicate) return UnknownValue;
2253
2254     // This might be a critical edge broken out.  If the loop preheader ends in
2255     // an unconditional branch to the loop, check to see if the preheader has a
2256     // single predecessor, and if so, look for its terminator.
2257     while (LoopEntryPredicate->isUnconditional()) {
2258       PreheaderDest = Preheader;
2259       Preheader = Preheader->getSinglePredecessor();
2260       if (!Preheader) return UnknownValue;  // Multiple preds.
2261       
2262       LoopEntryPredicate =
2263         dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2264       if (!LoopEntryPredicate) return UnknownValue;
2265     }
2266
2267     // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
2268     // see if it is the comparison we are looking for.
2269     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoopEntryPredicate->getCondition())){
2270       Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
2271       Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
2272       ICmpInst::Predicate Cond;
2273       if (LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) == PreheaderDest)
2274         Cond = ICI->getPredicate();
2275       else
2276         Cond = ICI->getInversePredicate();
2277     
2278       switch (Cond) {
2279       case ICmpInst::ICMP_UGT:
2280         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2281         Cond = ICmpInst::ICMP_ULT;
2282         break;
2283       case ICmpInst::ICMP_SGT:
2284         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2285         Cond = ICmpInst::ICMP_SLT;
2286         break;
2287       default: break;
2288       }
2289
2290       if (Cond == ICmpInst::ICMP_SLT) {
2291         if (PreCondLHS->getType()->isInteger()) {
2292           if (RHS != getSCEV(PreCondRHS))
2293             return UnknownValue;  // Not a comparison against 'm'.
2294
2295           if (SCEV::getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0), One)
2296                       != getSCEV(PreCondLHS))
2297             return UnknownValue;  // Not a comparison against 'n-1'.
2298         }
2299         else return UnknownValue;
2300       } else if (Cond == ICmpInst::ICMP_ULT)
2301         return UnknownValue;
2302
2303       // cerr << "Computed Loop Trip Count as: " 
2304       //      << //  *SCEV::getMinusSCEV(RHS, AddRec->getOperand(0)) << "\n";
2305       return SCEV::getMinusSCEV(RHS, AddRec->getOperand(0));
2306     }
2307     else 
2308       return UnknownValue;
2309   }
2310
2311   return UnknownValue;
2312 }
2313
2314 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2315 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2316 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2317 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2318 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2319 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range, 
2320                                                    bool isSigned) const {
2321   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2322     return new SCEVCouldNotCompute();
2323
2324   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2325   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2326     if (!SC->getValue()->isNullValue()) {
2327       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2328       Operands[0] = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2329       SCEVHandle Shifted = SCEVAddRecExpr::get(Operands, getLoop());
2330       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2331         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2332                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()),isSigned);
2333       // This is strange and shouldn't happen.
2334       return new SCEVCouldNotCompute();
2335     }
2336
2337   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2338   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2339   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2340     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2341       return new SCEVCouldNotCompute();
2342
2343
2344   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2345   // that the start element is zero.
2346
2347   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2348   // iteration exits.
2349   if (!Range.contains(APInt(getBitWidth(),0))) 
2350     return SCEVConstant::get(ConstantInt::get(getType(),0));
2351
2352   if (isAffine()) {
2353     // If this is an affine expression then we have this situation:
2354     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2355
2356     // Since we know that zero is in the range, we know that the upper value of
2357     // the range must be the first possible exit value.  Also note that we
2358     // already checked for a full range.
2359     const APInt &Upper = Range.getUpper();
2360     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
2361     APInt One(getBitWidth(),1);
2362
2363     // The exit value should be (Upper+A-1)/A.
2364     APInt ExitVal(Upper);
2365     if (A != One)
2366       ExitVal = (Upper + A - One).sdiv(A);
2367     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(getType(), ExitVal);
2368
2369     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2370     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2371     // things must have happened.
2372     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue);
2373     if (Range.contains(Val->getValue()))
2374       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2375
2376     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2377     assert(Range.contains(
2378            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
2379            ConstantInt::get(getType(), ExitVal - One))->getValue()) &&
2380            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2381     return SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(ExitValue));
2382   } else if (isQuadratic()) {
2383     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2384     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2385     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2386     // Range.getUpper() is crossed.
2387     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2388     NewOps[0] = SCEV::getNegativeSCEV(SCEVUnknown::get(
2389                                 ConstantInt::get(getType(), Range.getUpper())));
2390     SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, getLoop());
2391
2392     // Next, solve the constructed addrec
2393     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2394       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec));
2395     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2396     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2397     if (R1) {
2398       // Pick the smallest positive root value.
2399       if (ConstantInt *CB =
2400           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2401                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2402         if (CB->getZExtValue() == false)
2403           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2404
2405         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2406         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2407         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2408         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2409                                                              R1->getValue());
2410         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
2411           // The next iteration must be out of the range...
2412           Constant *NextVal =
2413             ConstantExpr::getAdd(R1->getValue(),
2414                                  ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2415
2416           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2417           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
2418             return SCEVUnknown::get(NextVal);
2419           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2420         }
2421
2422         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2423         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2424         Constant *NextVal =
2425           ConstantExpr::getSub(R1->getValue(),
2426                                ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2427         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2428         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
2429           return R1;
2430         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2431       }
2432     }
2433   }
2434
2435   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2436   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2437   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2438   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2439   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2440   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2441   ConstantInt *One     = ConstantInt::get(getType(), 1);
2442   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2443   do {
2444     ++NumBruteForceEvaluations;
2445     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SCEVConstant::get(TestVal));
2446     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2447       return new SCEVCouldNotCompute();
2448
2449     // Check to see if we found the value!
2450     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()->getValue()))
2451       return SCEVConstant::get(TestVal);
2452
2453     // Increment to test the next index.
2454     TestVal = cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getAdd(TestVal, One));
2455   } while (TestVal != EndVal);
2456
2457   return new SCEVCouldNotCompute();
2458 }
2459
2460
2461
2462 //===----------------------------------------------------------------------===//
2463 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2464 //===----------------------------------------------------------------------===//
2465
2466 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2467   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(F, getAnalysis<LoopInfo>());
2468   return false;
2469 }
2470
2471 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2472   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2473   Impl = 0;
2474 }
2475
2476 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2477   AU.setPreservesAll();
2478   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2479 }
2480
2481 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2482   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2483 }
2484
2485 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
2486 /// computed.
2487 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
2488   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->hasSCEV(V);
2489 }
2490
2491
2492 /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
2493 /// the specified value.
2494 void ScalarEvolution::setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
2495   ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->setSCEV(V, H);
2496 }
2497
2498
2499 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2500   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2501 }
2502
2503 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2504   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2505 }
2506
2507 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2508   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2509 }
2510
2511 void ScalarEvolution::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) const {
2512   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteInstructionFromRecords(I);
2513 }
2514
2515 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE,
2516                           const Loop *L) {
2517   // Print all inner loops first
2518   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2519     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2520
2521   cerr << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2522
2523   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
2524   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2525   if (ExitBlocks.size() != 1)
2526     cerr << "<multiple exits> ";
2527
2528   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2529     cerr << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2530   } else {
2531     cerr << "Unpredictable iteration count. ";
2532   }
2533
2534   cerr << "\n";
2535 }
2536
2537 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS, const Module* ) const {
2538   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2539   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2540
2541   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2542   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2543     if (I->getType()->isInteger()) {
2544       OS << *I;
2545       OS << "  --> ";
2546       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2547       SV->print(OS);
2548       OS << "\t\t";
2549
2550       if ((*I).getType()->isInteger()) {
2551         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2552         if (!Bounds.isFullSet())
2553           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2554       }
2555
2556       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2557         OS << "Exits: ";
2558         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2559         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2560           OS << "<<Unknown>>";
2561         } else {
2562           OS << *ExitValue;
2563         }
2564       }
2565
2566
2567       OS << "\n";
2568     }
2569
2570   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2571   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2572     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2573 }
2574