Suppress LinearFunctionTestReplace when the computed backedge-taken
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // This transformation makes the following changes to each loop with an
15 // identifiable induction variable:
16 //   1. All loops are transformed to have a SINGLE canonical induction variable
17 //      which starts at zero and steps by one.
18 //   2. The canonical induction variable is guaranteed to be the first PHI node
19 //      in the loop header block.
20 //   3. The canonical induction variable is guaranteed to be in a wide enough
21 //      type so that IV expressions need not be (directly) zero-extended or
22 //      sign-extended.
23 //   4. Any pointer arithmetic recurrences are raised to use array subscripts.
24 //
25 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
26 // changes:
27 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
28 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
29 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
30 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
31 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
32 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
33 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
34 //      expression, this transformation will make the loop dead.
35 //
36 // This transformation should be followed by strength reduction after all of the
37 // desired loop transformations have been performed.
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40
41 #define DEBUG_TYPE "indvars"
42 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
43 #include "llvm/BasicBlock.h"
44 #include "llvm/Constants.h"
45 #include "llvm/Instructions.h"
46 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/LLVMContext.h"
48 #include "llvm/Type.h"
49 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
50 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
52 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
53 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
54 #include "llvm/Support/CFG.h"
55 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
56 #include "llvm/Support/Debug.h"
57 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
60 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
61 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
62 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
63 using namespace llvm;
64
65 STATISTIC(NumRemoved , "Number of aux indvars removed");
66 STATISTIC(NumInserted, "Number of canonical indvars added");
67 STATISTIC(NumReplaced, "Number of exit values replaced");
68 STATISTIC(NumLFTR    , "Number of loop exit tests replaced");
69
70 namespace {
71   class IndVarSimplify : public LoopPass {
72     IVUsers         *IU;
73     LoopInfo        *LI;
74     ScalarEvolution *SE;
75     DominatorTree   *DT;
76     bool Changed;
77   public:
78
79     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
80     IndVarSimplify() : LoopPass(&ID) {}
81
82     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
83
84     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
85       AU.addRequired<DominatorTree>();
86       AU.addRequired<LoopInfo>();
87       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
88       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
89       AU.addRequiredID(LCSSAID);
90       AU.addRequired<IVUsers>();
91       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
92       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
93       AU.addPreservedID(LCSSAID);
94       AU.addPreserved<IVUsers>();
95       AU.setPreservesCFG();
96     }
97
98   private:
99
100     void EliminateIVComparisons();
101     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
102
103     ICmpInst *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
104                                    Value *IndVar,
105                                    BasicBlock *ExitingBlock,
106                                    BranchInst *BI,
107                                    SCEVExpander &Rewriter);
108     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
109
110     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
111
112     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
113
114     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
115   };
116 }
117
118 char IndVarSimplify::ID = 0;
119 static RegisterPass<IndVarSimplify>
120 X("indvars", "Canonicalize Induction Variables");
121
122 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
123   return new IndVarSimplify();
124 }
125
126 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
127 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
128 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
129 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
130 /// is actually a much broader range than just linear tests.
131 ICmpInst *IndVarSimplify::LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
132                                    const SCEV *BackedgeTakenCount,
133                                    Value *IndVar,
134                                    BasicBlock *ExitingBlock,
135                                    BranchInst *BI,
136                                    SCEVExpander &Rewriter) {
137   // Special case: If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a
138   // UDiv that ScalarEvolution produced in order to compute a precise
139   // expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't find a
140   // UDiv in the code with some simple searching, assume the former and forego
141   // rewriting the loop.
142   if (isa<SCEVUDivExpr>(BackedgeTakenCount)) {
143     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
144     if (!OrigCond) return 0;
145     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
146     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getIntegerSCEV(1, R->getType()));
147     if (R != BackedgeTakenCount) {
148       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
149       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getIntegerSCEV(1, L->getType()));
150       if (L != BackedgeTakenCount)
151         return 0;
152     }
153   }
154
155   // If the exiting block is not the same as the backedge block, we must compare
156   // against the preincremented value, otherwise we prefer to compare against
157   // the post-incremented value.
158   Value *CmpIndVar;
159   const SCEV *RHS = BackedgeTakenCount;
160   if (ExitingBlock == L->getLoopLatch()) {
161     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
162     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
163     // cast the induction variable before doing the add.
164     const SCEV *Zero = SE->getIntegerSCEV(0, BackedgeTakenCount->getType());
165     const SCEV *N =
166       SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
167                      SE->getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType()));
168     if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
169         SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
170       // No overflow. Cast the sum.
171       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, IndVar->getType());
172     } else {
173       // Potential overflow. Cast before doing the add.
174       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
175                                         IndVar->getType());
176       RHS = SE->getAddExpr(RHS,
177                            SE->getIntegerSCEV(1, IndVar->getType()));
178     }
179
180     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
181     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
182     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
183     CmpIndVar = L->getCanonicalInductionVariableIncrement();
184   } else {
185     // We have to use the preincremented value...
186     RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
187                                       IndVar->getType());
188     CmpIndVar = IndVar;
189   }
190
191   // Expand the code for the iteration count.
192   assert(RHS->isLoopInvariant(L) &&
193          "Computed iteration count is not loop invariant!");
194   Value *ExitCnt = Rewriter.expandCodeFor(RHS, IndVar->getType(), BI);
195
196   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
197   ICmpInst::Predicate Opcode;
198   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
199     Opcode = ICmpInst::ICMP_NE;
200   else
201     Opcode = ICmpInst::ICMP_EQ;
202
203   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
204                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
205                << "       op:\t"
206                << (Opcode == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
207                << "      RHS:\t" << *RHS << "\n");
208
209   ICmpInst *Cond = new ICmpInst(BI, Opcode, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
210
211   Value *OrigCond = BI->getCondition();
212   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
213   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
214   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
215   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
216   // will make old comparison dead.
217   BI->setCondition(Cond);
218   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(OrigCond);
219
220   ++NumLFTR;
221   Changed = true;
222   return Cond;
223 }
224
225 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
226 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
227 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
228 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
229 /// the loop that use the final values of the current expressions.
230 ///
231 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
232 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
233 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
234 /// constant operands at the beginning of the loop.
235 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L,
236                                            SCEVExpander &Rewriter) {
237   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
238   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
239
240   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
241   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
242
243   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
244   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
245   // the exit blocks of the loop to find them.
246   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
247     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
248
249     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
250     // inside the loop are used on this path, skip it.
251     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
252     if (!PN) continue;
253
254     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
255
256     // Iterate over all of the PHI nodes.
257     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
258     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
259       if (PN->use_empty())
260         continue; // dead use, don't replace it
261
262       // SCEV only supports integer expressions for now.
263       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
264         continue;
265
266       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
267       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
268       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
269       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
270       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
271       SE->forgetValue(PN);
272
273       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
274       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
275         // If the value being merged in is not integer or is not defined
276         // in the loop, skip it.
277         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
278         if (!isa<Instruction>(InVal))
279           continue;
280
281         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
282         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
283           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
284
285         // Check that InVal is defined in the loop.
286         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
287         if (!L->contains(Inst))
288           continue;
289
290         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
291         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
292         // contains when the loop exits, if possible.
293         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
294         if (!ExitValue->isLoopInvariant(L))
295           continue;
296
297         Changed = true;
298         ++NumReplaced;
299
300         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
301
302         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
303                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
304
305         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
306
307         // If this instruction is dead now, delete it.
308         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
309
310         if (NumPreds == 1) {
311           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
312           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
313           // node anymore.
314           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
315           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
316         }
317       }
318       if (NumPreds != 1) {
319         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
320         // any other maps purge the original user from their records.
321         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
322         NewPN->takeName(PN);
323         NewPN->insertBefore(PN);
324         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
325         PN->eraseFromParent();
326       }
327     }
328   }
329
330   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
331   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
332   Rewriter.clearInsertPoint();
333 }
334
335 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
336   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
337   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
338   // the SCEV routines.
339   //
340   BasicBlock *Header    = L->getHeader();
341
342   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
343   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
344        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
345     PHIs.push_back(PN);
346
347   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
348     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(PHIs[i]))
349       HandleFloatingPointIV(L, PN);
350
351   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
352   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
353   // re-writing, the trip count may be computable.
354   if (Changed)
355     SE->forgetLoop(L);
356 }
357
358 void IndVarSimplify::EliminateIVComparisons() {
359   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
360
361   // Look for ICmp users.
362   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
363     IVStrideUse &UI = *I;
364     ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UI.getUser());
365     if (!ICmp) continue;
366
367     bool Swapped = UI.getOperandValToReplace() == ICmp->getOperand(1);
368     ICmpInst::Predicate Pred = ICmp->getPredicate();
369     if (Swapped) Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
370
371     // Get the SCEVs for the ICmp operands.
372     const SCEV *S = IU->getReplacementExpr(UI);
373     const SCEV *X = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(!Swapped));
374
375     // Simplify unnecessary loops away.
376     const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(ICmp->getParent());
377     S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
378     X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
379
380     // If the condition is always true or always false, replace it with
381     // a constant value.
382     if (SE->isKnownPredicate(Pred, S, X))
383       ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getTrue(ICmp->getContext()));
384     else if (SE->isKnownPredicate(ICmpInst::getInversePredicate(Pred), S, X))
385       ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getFalse(ICmp->getContext()));
386     else
387       continue;
388
389     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated comparison: " << *ICmp << '\n');
390     DeadInsts.push_back(ICmp);
391   }
392
393   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
394   // which are now dead.
395   while (!DeadInsts.empty())
396     if (Instruction *Inst =
397           dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
398       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
399 }
400
401 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
402   IU = &getAnalysis<IVUsers>();
403   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
404   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
405   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
406   Changed = false;
407
408   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
409   // transform them to use integer recurrences.
410   RewriteNonIntegerIVs(L);
411
412   BasicBlock *ExitingBlock = L->getExitingBlock(); // may be null
413   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
414
415   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
416   SCEVExpander Rewriter(*SE);
417
418   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
419   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
420   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
421   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
422   // the current expressions.
423   //
424   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
425     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
426
427   // Simplify ICmp IV users.
428   EliminateIVComparisons();
429
430   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
431   // a canonical induction variable should be inserted.
432   const Type *LargestType = 0;
433   bool NeedCannIV = false;
434   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
435     LargestType = BackedgeTakenCount->getType();
436     LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(LargestType);
437     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
438     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
439     // canonical induction variable.
440     if (ExitingBlock)
441       NeedCannIV = true;
442   }
443   for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
444     const Type *Ty =
445       SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
446     if (!LargestType ||
447         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
448           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
449       LargestType = Ty;
450     NeedCannIV = true;
451   }
452
453   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
454   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
455   Value *IndVar = 0;
456   if (NeedCannIV) {
457     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
458     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
459     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
460     // doesn't attempt to reuse them.
461     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
462     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
463       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
464           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
465         OldCannIV->removeFromParent();
466       else
467         break;
468       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
469     }
470
471     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
472
473     ++NumInserted;
474     Changed = true;
475     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
476
477     // Now that the official induction variable is established, reinsert
478     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
479     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
480     // the end of the pass.
481     while (!OldCannIVs.empty()) {
482       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
483       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstNonPHI());
484     }
485   }
486
487   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
488   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
489   ICmpInst *NewICmp = 0;
490   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) &&
491       !BackedgeTakenCount->isZero() &&
492       ExitingBlock) {
493     assert(NeedCannIV &&
494            "LinearFunctionTestReplace requires a canonical induction variable");
495     // Can't rewrite non-branch yet.
496     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator()))
497       NewICmp = LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
498                                           ExitingBlock, BI, Rewriter);
499   }
500
501   // Rewrite IV-derived expressions. Clears the rewriter cache.
502   RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
503
504   // The Rewriter may not be used from this point on.
505
506   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
507   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
508   SinkUnusedInvariants(L);
509
510   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
511   // loop exit test instruction.
512   if (NewICmp)
513     IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmp->getOperand(0)));
514
515   // Clean up dead instructions.
516   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
517   // Check a post-condition.
518   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
519   return Changed;
520 }
521
522 // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
523 // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
524 // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
525 // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
526 // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
527 // it can be expanded to a trivial value.
528 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L) {
529   // Loop-invariant values are safe.
530   if (S->isLoopInvariant(L)) return true;
531
532   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
533   // to transform them into efficient code.
534   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
535     return AR->isAffine();
536
537   // An add is safe it all its operands are safe.
538   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
539     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
540          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
541       if (!isSafe(*I, L)) return false;
542     return true;
543   }
544   
545   // A cast is safe if its operand is.
546   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
547     return isSafe(C->getOperand(), L);
548
549   // A udiv is safe if its operands are.
550   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
551     return isSafe(UD->getLHS(), L) &&
552            isSafe(UD->getRHS(), L);
553
554   // SCEVUnknown is always safe.
555   if (isa<SCEVUnknown>(S))
556     return true;
557
558   // Nothing else is safe.
559   return false;
560 }
561
562 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
563   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
564
565   // Rewrite all induction variable expressions in terms of the canonical
566   // induction variable.
567   //
568   // If there were induction variables of other sizes or offsets, manually
569   // add the offsets to the primary induction variable and cast, avoiding
570   // the need for the code evaluation methods to insert induction variables
571   // of different sizes.
572   for (IVUsers::iterator UI = IU->begin(), E = IU->end(); UI != E; ++UI) {
573     Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
574     const Type *UseTy = Op->getType();
575     Instruction *User = UI->getUser();
576
577     // Compute the final addrec to expand into code.
578     const SCEV *AR = IU->getReplacementExpr(*UI);
579
580     // Evaluate the expression out of the loop, if possible.
581     if (!L->contains(UI->getUser())) {
582       const SCEV *ExitVal = SE->getSCEVAtScope(AR, L->getParentLoop());
583       if (ExitVal->isLoopInvariant(L))
584         AR = ExitVal;
585     }
586
587     // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
588     // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
589     // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
590     // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
591     // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
592     // it can be expanded to a trivial value.
593     if (!isSafe(AR, L))
594       continue;
595
596     // Determine the insertion point for this user. By default, insert
597     // immediately before the user. The SCEVExpander class will automatically
598     // hoist loop invariants out of the loop. For PHI nodes, there may be
599     // multiple uses, so compute the nearest common dominator for the
600     // incoming blocks.
601     Instruction *InsertPt = User;
602     if (PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(InsertPt))
603       for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
604         if (PHI->getIncomingValue(i) == Op) {
605           if (InsertPt == User)
606             InsertPt = PHI->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
607           else
608             InsertPt =
609               DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(),
610                                              PHI->getIncomingBlock(i))
611                     ->getTerminator();
612         }
613
614     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
615     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
616
617     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
618     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
619     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
620     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
621     // deleted.
622     SE->forgetValue(User);
623
624     // Patch the new value into place.
625     if (Op->hasName())
626       NewVal->takeName(Op);
627     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
628     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
629     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
630                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
631     ++NumRemoved;
632     Changed = true;
633
634     // The old value may be dead now.
635     DeadInsts.push_back(Op);
636   }
637
638   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
639   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
640   // trigger.
641   Rewriter.clear();
642   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
643   // which are now dead.
644   while (!DeadInsts.empty())
645     if (Instruction *Inst =
646           dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
647       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
648 }
649
650 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
651 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
652 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
653 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
654   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
655   if (!ExitBlock) return;
656
657   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
658   if (!Preheader) return;
659
660   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
661   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
662   while (I != Preheader->begin()) {
663     --I;
664     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
665     if (isa<PHINode>(I))
666       break;
667
668     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
669     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
670     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
671     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
672     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
673     // block.
674     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
675       continue;
676
677     // Skip debug info intrinsics.
678     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
679       continue;
680
681     // Don't sink static AllocaInsts out of the entry block, which would
682     // turn them into dynamic allocas!
683     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
684       if (AI->isStaticAlloca())
685         continue;
686
687     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
688     // otherwise).
689     bool UsedInLoop = false;
690     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
691          UI != UE; ++UI) {
692       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(UI)->getParent();
693       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
694         unsigned i =
695           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
696         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
697       }
698       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
699         UsedInLoop = true;
700         break;
701       }
702     }
703
704     // If there is, the def must remain in the preheader.
705     if (UsedInLoop)
706       continue;
707
708     // Otherwise, sink it to the exit block.
709     Instruction *ToMove = I;
710     bool Done = false;
711
712     if (I != Preheader->begin()) {
713       // Skip debug info intrinsics.
714       do {
715         --I;
716       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
717
718       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
719         Done = true;
720     } else {
721       Done = true;
722     }
723
724     ToMove->moveBefore(InsertPt);
725     if (Done) break;
726     InsertPt = ToMove;
727   }
728 }
729
730 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
731 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
732   bool isExact = false;
733   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
734     return false;
735   // See if we can convert this to an int64_t
736   uint64_t UIntVal;
737   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
738                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
739     return false;
740   IntVal = UIntVal;
741   return true;
742 }
743
744 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
745 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
746 /// For example,
747 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
748 ///   bar(i)
749 /// is converted into
750 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
751 ///   bar((double)i);
752 ///
753 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
754   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
755   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
756
757   // Check incoming value.
758   ConstantFP *InitValueVal =
759     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
760
761   int64_t InitValue;
762   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
763     return;
764
765   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
766   // an add or increment value can not be represented by an integer.
767   BinaryOperator *Incr =
768     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
769   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
770   
771   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
772   // is not an integer, bail out.
773   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
774   int64_t IncValue;
775   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
776       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
777     return;
778
779   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
780   // used by the conditional terminator.
781   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
782   Instruction *U1 = cast<Instruction>(IncrUse++);
783   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
784   Instruction *U2 = cast<Instruction>(IncrUse++);
785   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
786
787   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
788   // only used by a branch, we can't transform it.
789   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
790   if (!Compare)
791     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
792   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
793       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
794     return;
795   
796   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
797
798   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
799   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
800   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
801   // of the loop.
802   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
803   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
804       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
805        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
806     return;
807   
808   
809   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
810   // transform it.
811   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
812   int64_t ExitValue;
813   if (ExitValueVal == 0 ||
814       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
815     return;
816   
817   // Find new predicate for integer comparison.
818   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
819   switch (Compare->getPredicate()) {
820   default: return;  // Unknown comparison.
821   case CmpInst::FCMP_OEQ:
822   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
823   case CmpInst::FCMP_ONE:
824   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
825   case CmpInst::FCMP_OGT:
826   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
827   case CmpInst::FCMP_OGE:
828   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
829   case CmpInst::FCMP_OLT:
830   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
831   case CmpInst::FCMP_OLE:
832   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
833   }
834   
835   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
836   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
837   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
838   // now.
839   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
840   
841   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
842   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
843     return;
844
845   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
846   if (IncValue == 0)
847     return;
848
849   // Positive and negative strides have different safety conditions.
850   if (IncValue > 0) {
851     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
852     // exit value and an equality or less than comparison.
853     if (InitValue >= ExitValue ||
854         NewPred == CmpInst::ICMP_SGT || NewPred == CmpInst::ICMP_SGE)
855       return;
856     
857     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
858     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE) {
859       // Normalize SLE -> SLT, check for infinite loop.
860       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
861     }
862     
863     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
864     
865     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
866     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
867     // around and do things the fp IV wouldn't.
868     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
869         Leftover != 0)
870       return;
871     
872     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
873     // transform the IV.
874     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
875       return;
876     
877   } else {
878     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
879     // exit value and an equality or greater than comparison.
880     if (InitValue >= ExitValue ||
881         NewPred == CmpInst::ICMP_SLT || NewPred == CmpInst::ICMP_SLE)
882       return;
883     
884     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
885     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE) {
886       // Normalize SGE -> SGT, check for infinite loop.
887       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
888     }
889     
890     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
891     
892     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
893     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
894     // around and do things the fp IV wouldn't.
895     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
896         Leftover != 0)
897       return;
898     
899     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
900     // transform the IV.
901     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
902       return;
903   }
904   
905   const IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
906
907   // Insert new integer induction variable.
908   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, PN->getName()+".int", PN);
909   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
910                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
911
912   Value *NewAdd =
913     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
914                               Incr->getName()+".int", Incr);
915   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
916
917   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
918                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
919                                       Compare->getName());
920
921   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
922   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
923   WeakVH WeakPH = PN;
924
925   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
926   // new comparison.
927   NewCompare->takeName(Compare);
928   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
929   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
930
931   // Delete the old floating point increment.
932   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
933   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
934
935   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
936   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
937   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
938   // int->fp cast.
939   //
940   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
941   // platforms.
942   if (WeakPH) {
943     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
944                                  PN->getParent()->getFirstNonPHI());
945     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
946     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
947   }
948
949   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
950   IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI);
951 }