1c6acc6eef81148d39e43f4115fcab817e9364de
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopStrengthReduce.cpp
1 //===- LoopStrengthReduce.cpp - Strength Reduce GEPs in Loops -------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by Nate Begeman and is distributed under the
6 // University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
11 // have as one or more of their components the loop induction variable.  This is
12 // accomplished by creating a new Value to hold the initial value of the array
13 // access for the first iteration, and then creating a new GEP instruction in
14 // the loop to increment the value by the appropriate amount.
15 //
16 //===----------------------------------------------------------------------===//
17
18 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
19 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
20 #include "llvm/Constants.h"
21 #include "llvm/Instructions.h"
22 #include "llvm/Type.h"
23 #include "llvm/DerivedTypes.h"
24 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
25 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
26 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
27 #include "llvm/Support/CFG.h"
28 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "llvm/Target/TargetData.h"
32 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
33 #include "llvm/Support/Debug.h"
34 #include "llvm/Support/Compiler.h"
35 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
36 #include <algorithm>
37 #include <iostream>
38 #include <set>
39 using namespace llvm;
40
41 namespace {
42   Statistic<> NumReduced ("loop-reduce", "Number of GEPs strength reduced");
43   Statistic<> NumInserted("loop-reduce", "Number of PHIs inserted");
44   Statistic<> NumVariable("loop-reduce","Number of PHIs with variable strides");
45
46   /// IVStrideUse - Keep track of one use of a strided induction variable, where
47   /// the stride is stored externally.  The Offset member keeps track of the 
48   /// offset from the IV, User is the actual user of the operand, and 'Operand'
49   /// is the operand # of the User that is the use.
50   struct IVStrideUse {
51     SCEVHandle Offset;
52     Instruction *User;
53     Value *OperandValToReplace;
54
55     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
56     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
57     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
58     // instruction for a loop or uses dominated by the loop.
59     bool isUseOfPostIncrementedValue;
60     
61     IVStrideUse(const SCEVHandle &Offs, Instruction *U, Value *O)
62       : Offset(Offs), User(U), OperandValToReplace(O),
63         isUseOfPostIncrementedValue(false) {}
64   };
65   
66   /// IVUsersOfOneStride - This structure keeps track of all instructions that
67   /// have an operand that is based on the trip count multiplied by some stride.
68   /// The stride for all of these users is common and kept external to this
69   /// structure.
70   struct IVUsersOfOneStride {
71     /// Users - Keep track of all of the users of this stride as well as the
72     /// initial value and the operand that uses the IV.
73     std::vector<IVStrideUse> Users;
74     
75     void addUser(const SCEVHandle &Offset,Instruction *User, Value *Operand) {
76       Users.push_back(IVStrideUse(Offset, User, Operand));
77     }
78   };
79
80   /// IVInfo - This structure keeps track of one IV expression inserted during
81   /// StrengthReduceStridedIVUsers. It contains the stride, the common base, as
82   /// well as the PHI node and increment value created for rewrite.
83   struct IVExpr {
84     SCEVHandle  Stride;
85     SCEVHandle  Base;
86     PHINode    *PHI;
87     Value      *IncV;
88
89     IVExpr()
90       : Stride(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::UIntTy)),
91         Base  (SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::UIntTy)) {}
92     IVExpr(const SCEVHandle &stride, const SCEVHandle &base, PHINode *phi,
93            Value *incv)
94       : Stride(stride), Base(base), PHI(phi), IncV(incv) {}
95   };
96
97   /// IVsOfOneStride - This structure keeps track of all IV expression inserted
98   /// during StrengthReduceStridedIVUsers for a particular stride of the IV.
99   struct IVsOfOneStride {
100     std::vector<IVExpr> IVs;
101
102     void addIV(const SCEVHandle &Stride, const SCEVHandle &Base, PHINode *PHI,
103                Value *IncV) {
104       IVs.push_back(IVExpr(Stride, Base, PHI, IncV));
105     }
106   };
107
108   class VISIBILITY_HIDDEN LoopStrengthReduce : public FunctionPass {
109     LoopInfo *LI;
110     ETForest *EF;
111     ScalarEvolution *SE;
112     const TargetData *TD;
113     const Type *UIntPtrTy;
114     bool Changed;
115
116     /// IVUsesByStride - Keep track of all uses of induction variables that we
117     /// are interested in.  The key of the map is the stride of the access.
118     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride> IVUsesByStride;
119
120     /// IVsByStride - Keep track of all IVs that have been inserted for a
121     /// particular stride.
122     std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride> IVsByStride;
123
124     /// StrideOrder - An ordering of the keys in IVUsesByStride that is stable:
125     /// We use this to iterate over the IVUsesByStride collection without being
126     /// dependent on random ordering of pointers in the process.
127     std::vector<SCEVHandle> StrideOrder;
128
129     /// CastedValues - As we need to cast values to uintptr_t, this keeps track
130     /// of the casted version of each value.  This is accessed by
131     /// getCastedVersionOf.
132     std::map<Value*, Value*> CastedPointers;
133
134     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
135     /// we can remove them after we are done working.
136     std::set<Instruction*> DeadInsts;
137
138     /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
139     /// transformation profitability.
140     const TargetLowering *TLI;
141
142   public:
143     LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = NULL)
144       : TLI(tli) {
145     }
146
147     virtual bool runOnFunction(Function &) {
148       LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
149       EF = &getAnalysis<ETForest>();
150       SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
151       TD = &getAnalysis<TargetData>();
152       UIntPtrTy = TD->getIntPtrType();
153       Changed = false;
154
155       for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
156         runOnLoop(*I);
157       
158       return Changed;
159     }
160
161     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
162       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
163       // many analyses if they are around.
164       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
165       AU.addPreserved<LoopInfo>();
166       AU.addPreserved<DominatorSet>();
167       AU.addPreserved<ETForest>();
168       AU.addPreserved<ImmediateDominators>();
169       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
170       AU.addPreserved<DominatorTree>();
171
172       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
173       AU.addRequired<LoopInfo>();
174       AU.addRequired<ETForest>();
175       AU.addRequired<TargetData>();
176       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
177     }
178     
179     /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
180     ///
181     Value *getCastedVersionOf(Value *V);
182 private:
183     void runOnLoop(Loop *L);
184     bool AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
185                                std::set<Instruction*> &Processed);
186     SCEVHandle GetExpressionSCEV(Instruction *E, Loop *L);
187
188     void OptimizeIndvars(Loop *L);
189
190     unsigned CheckForIVReuse(const SCEVHandle&, IVExpr&, const Type*);
191
192     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
193                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
194                                       Loop *L, bool isOnlyStride);
195     void DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts);
196   };
197   RegisterPass<LoopStrengthReduce> X("loop-reduce", "Loop Strength Reduction");
198 }
199
200 FunctionPass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
201   return new LoopStrengthReduce(TLI);
202 }
203
204 /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
205 ///
206 Value *LoopStrengthReduce::getCastedVersionOf(Value *V) {
207   if (V->getType() == UIntPtrTy) return V;
208   if (Constant *CB = dyn_cast<Constant>(V))
209     return ConstantExpr::getCast(CB, UIntPtrTy);
210
211   Value *&New = CastedPointers[V];
212   if (New) return New;
213   
214   New = SCEVExpander::InsertCastOfTo(V, UIntPtrTy);
215   DeadInsts.insert(cast<Instruction>(New));
216   return New;
217 }
218
219
220 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
221 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
222 /// their operands subsequently dead.
223 void LoopStrengthReduce::
224 DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts) {
225   while (!Insts.empty()) {
226     Instruction *I = *Insts.begin();
227     Insts.erase(Insts.begin());
228     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
229       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
230         if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
231           Insts.insert(U);
232       SE->deleteInstructionFromRecords(I);
233       I->eraseFromParent();
234       Changed = true;
235     }
236   }
237 }
238
239
240 /// GetExpressionSCEV - Compute and return the SCEV for the specified
241 /// instruction.
242 SCEVHandle LoopStrengthReduce::GetExpressionSCEV(Instruction *Exp, Loop *L) {
243   // Scalar Evolutions doesn't know how to compute SCEV's for GEP instructions.
244   // If this is a GEP that SE doesn't know about, compute it now and insert it.
245   // If this is not a GEP, or if we have already done this computation, just let
246   // SE figure it out.
247   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Exp);
248   if (!GEP || SE->hasSCEV(GEP))
249     return SE->getSCEV(Exp);
250     
251   // Analyze all of the subscripts of this getelementptr instruction, looking
252   // for uses that are determined by the trip count of L.  First, skip all
253   // operands the are not dependent on the IV.
254
255   // Build up the base expression.  Insert an LLVM cast of the pointer to
256   // uintptr_t first.
257   SCEVHandle GEPVal = SCEVUnknown::get(getCastedVersionOf(GEP->getOperand(0)));
258
259   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
260   
261   for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
262     // If this is a use of a recurrence that we can analyze, and it comes before
263     // Op does in the GEP operand list, we will handle this when we process this
264     // operand.
265     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
266       const StructLayout *SL = TD->getStructLayout(STy);
267       unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))->getZExtValue();
268       uint64_t Offset = SL->MemberOffsets[Idx];
269       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal,
270                                 SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Offset, UIntPtrTy));
271     } else {
272       Value *OpVal = getCastedVersionOf(GEP->getOperand(i));
273       SCEVHandle Idx = SE->getSCEV(OpVal);
274
275       uint64_t TypeSize = TD->getTypeSize(GTI.getIndexedType());
276       if (TypeSize != 1)
277         Idx = SCEVMulExpr::get(Idx,
278                                SCEVConstant::get(ConstantInt::get(UIntPtrTy,
279                                                                    TypeSize)));
280       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal, Idx);
281     }
282   }
283
284   SE->setSCEV(GEP, GEPVal);
285   return GEPVal;
286 }
287
288 /// getSCEVStartAndStride - Compute the start and stride of this expression,
289 /// returning false if the expression is not a start/stride pair, or true if it
290 /// is.  The stride must be a loop invariant expression, but the start may be
291 /// a mix of loop invariant and loop variant expressions.
292 static bool getSCEVStartAndStride(const SCEVHandle &SH, Loop *L,
293                                   SCEVHandle &Start, SCEVHandle &Stride) {
294   SCEVHandle TheAddRec = Start;   // Initialize to zero.
295
296   // If the outer level is an AddExpr, the operands are all start values except
297   // for a nested AddRecExpr.
298   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(SH)) {
299     for (unsigned i = 0, e = AE->getNumOperands(); i != e; ++i)
300       if (SCEVAddRecExpr *AddRec =
301              dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(AE->getOperand(i))) {
302         if (AddRec->getLoop() == L)
303           TheAddRec = SCEVAddExpr::get(AddRec, TheAddRec);
304         else
305           return false;  // Nested IV of some sort?
306       } else {
307         Start = SCEVAddExpr::get(Start, AE->getOperand(i));
308       }
309         
310   } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SH)) {
311     TheAddRec = SH;
312   } else {
313     return false;  // not analyzable.
314   }
315   
316   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(TheAddRec);
317   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L) return false;
318   
319   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
320   if (!AddRec->isAffine()) return false;
321
322   Start = SCEVAddExpr::get(Start, AddRec->getOperand(0));
323   
324   if (!isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1)))
325     DEBUG(std::cerr << "[" << L->getHeader()->getName()
326                     << "] Variable stride: " << *AddRec << "\n");
327
328   Stride = AddRec->getOperand(1);
329   // Check that all constant strides are the unsigned type, we don't want to
330   // have two IV's one of signed stride 4 and one of unsigned stride 4 to not be
331   // merged.
332   assert((!isa<SCEVConstant>(Stride) || Stride->getType()->isUnsigned()) &&
333          "Constants should be canonicalized to unsigned!");
334
335   return true;
336 }
337
338 /// IVUseShouldUsePostIncValue - We have discovered a "User" of an IV expression
339 /// and now we need to decide whether the user should use the preinc or post-inc
340 /// value.  If this user should use the post-inc version of the IV, return true.
341 ///
342 /// Choosing wrong here can break dominance properties (if we choose to use the
343 /// post-inc value when we cannot) or it can end up adding extra live-ranges to
344 /// the loop, resulting in reg-reg copies (if we use the pre-inc value when we
345 /// should use the post-inc value).
346 static bool IVUseShouldUsePostIncValue(Instruction *User, Instruction *IV,
347                                        Loop *L, ETForest *EF, Pass *P) {
348   // If the user is in the loop, use the preinc value.
349   if (L->contains(User->getParent())) return false;
350   
351   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
352   
353   // Ok, the user is outside of the loop.  If it is dominated by the latch
354   // block, use the post-inc value.
355   if (EF->dominates(LatchBlock, User->getParent()))
356     return true;
357
358   // There is one case we have to be careful of: PHI nodes.  These little guys
359   // can live in blocks that do not dominate the latch block, but (since their
360   // uses occur in the predecessor block, not the block the PHI lives in) should
361   // still use the post-inc value.  Check for this case now.
362   PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User);
363   if (!PN) return false;  // not a phi, not dominated by latch block.
364   
365   // Look at all of the uses of IV by the PHI node.  If any use corresponds to
366   // a block that is not dominated by the latch block, give up and use the
367   // preincremented value.
368   unsigned NumUses = 0;
369   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
370     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
371       ++NumUses;
372       if (!EF->dominates(LatchBlock, PN->getIncomingBlock(i)))
373         return false;
374     }
375
376   // Okay, all uses of IV by PN are in predecessor blocks that really are
377   // dominated by the latch block.  Split the critical edges and use the
378   // post-incremented value.
379   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
380     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
381       SplitCriticalEdge(PN->getIncomingBlock(i), PN->getParent(), P);
382       // Splitting the critical edge can reduce the number of entries in this
383       // PHI.
384       e = PN->getNumIncomingValues();
385       if (--NumUses == 0) break;
386     }
387   
388   return true;
389 }
390
391   
392
393 /// AddUsersIfInteresting - Inspect the specified instruction.  If it is a
394 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
395 /// return true.  Otherwise, return false.
396 bool LoopStrengthReduce::AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
397                                             std::set<Instruction*> &Processed) {
398   if (!I->getType()->isInteger() && !isa<PointerType>(I->getType()))
399       return false;   // Void and FP expressions cannot be reduced.
400   if (!Processed.insert(I).second)
401     return true;    // Instruction already handled.
402   
403   // Get the symbolic expression for this instruction.
404   SCEVHandle ISE = GetExpressionSCEV(I, L);
405   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ISE)) return false;
406   
407   // Get the start and stride for this expression.
408   SCEVHandle Start = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, ISE->getType());
409   SCEVHandle Stride = Start;
410   if (!getSCEVStartAndStride(ISE, L, Start, Stride))
411     return false;  // Non-reducible symbolic expression, bail out.
412   
413   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;++UI){
414     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
415
416     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
417     if (isa<PHINode>(User) && Processed.count(User))
418       continue;
419
420     // If this is an instruction defined in a nested loop, or outside this loop,
421     // don't recurse into it.
422     bool AddUserToIVUsers = false;
423     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
424       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER in other loop: " << *User
425             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
426       AddUserToIVUsers = true;
427     } else if (!AddUsersIfInteresting(User, L, Processed)) {
428       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER: " << *User
429             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
430       AddUserToIVUsers = true;
431     }
432
433     if (AddUserToIVUsers) {
434       IVUsersOfOneStride &StrideUses = IVUsesByStride[Stride];
435       if (StrideUses.Users.empty())     // First occurance of this stride?
436         StrideOrder.push_back(Stride);
437       
438       // Okay, we found a user that we cannot reduce.  Analyze the instruction
439       // and decide what to do with it.  If we are a use inside of the loop, use
440       // the value before incrementation, otherwise use it after incrementation.
441       if (IVUseShouldUsePostIncValue(User, I, L, EF, this)) {
442         // The value used will be incremented by the stride more than we are
443         // expecting, so subtract this off.
444         SCEVHandle NewStart = SCEV::getMinusSCEV(Start, Stride);
445         StrideUses.addUser(NewStart, User, I);
446         StrideUses.Users.back().isUseOfPostIncrementedValue = true;
447         DEBUG(std::cerr << "   USING POSTINC SCEV, START=" << *NewStart<< "\n");
448       } else {        
449         StrideUses.addUser(Start, User, I);
450       }
451     }
452   }
453   return true;
454 }
455
456 namespace {
457   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
458   /// partitioned the expression so far.
459   struct BasedUser {
460     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
461     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
462     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
463     /// field.
464     SCEVHandle Base;
465     
466     /// Inst - The instruction using the induction variable.
467     Instruction *Inst;
468
469     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
470     /// EmittedBase.
471     Value *OperandValToReplace;
472
473     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
474     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
475     /// instruction.
476     SCEVHandle Imm;
477
478     /// EmittedBase - The actual value* to use for the base value of this
479     /// operation.  This is null if we should just use zero so far.
480     Value *EmittedBase;
481
482     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
483     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
484     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
485     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
486     // the loop.
487     bool isUseOfPostIncrementedValue;
488     
489     BasedUser(IVStrideUse &IVSU)
490       : Base(IVSU.Offset), Inst(IVSU.User), 
491         OperandValToReplace(IVSU.OperandValToReplace), 
492         Imm(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Base->getType())), EmittedBase(0),
493         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue) {}
494
495     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
496     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
497     // to it.
498     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
499                                         SCEVExpander &Rewriter, Loop *L,
500                                         Pass *P);
501     
502     Value *InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
503                                        SCEVExpander &Rewriter,
504                                        Instruction *IP, Loop *L);
505     void dump() const;
506   };
507 }
508
509 void BasedUser::dump() const {
510   std::cerr << " Base=" << *Base;
511   std::cerr << " Imm=" << *Imm;
512   if (EmittedBase)
513     std::cerr << "  EB=" << *EmittedBase;
514
515   std::cerr << "   Inst: " << *Inst;
516 }
517
518 Value *BasedUser::InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
519                                               SCEVExpander &Rewriter,
520                                               Instruction *IP, Loop *L) {
521   // Figure out where we *really* want to insert this code.  In particular, if
522   // the user is inside of a loop that is nested inside of L, we really don't
523   // want to insert this expression before the user, we'd rather pull it out as
524   // many loops as possible.
525   LoopInfo &LI = Rewriter.getLoopInfo();
526   Instruction *BaseInsertPt = IP;
527   
528   // Figure out the most-nested loop that IP is in.
529   Loop *InsertLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
530   
531   // If InsertLoop is not L, and InsertLoop is nested inside of L, figure out
532   // the preheader of the outer-most loop where NewBase is not loop invariant.
533   while (InsertLoop && NewBase->isLoopInvariant(InsertLoop)) {
534     BaseInsertPt = InsertLoop->getLoopPreheader()->getTerminator();
535     InsertLoop = InsertLoop->getParentLoop();
536   }
537   
538   // If there is no immediate value, skip the next part.
539   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Imm))
540     if (SC->getValue()->isNullValue())
541       return Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt,
542                                     OperandValToReplace->getType());
543
544   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt);
545   
546   // Always emit the immediate (if non-zero) into the same block as the user.
547   SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(Base), Imm);
548   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, IP,
549                                 OperandValToReplace->getType());
550 }
551
552
553 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
554 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
555 // to it.
556 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
557                                                SCEVExpander &Rewriter,
558                                                Loop *L, Pass *P) {
559   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
560     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, Inst, L);
561     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
562     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
563     DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
564     return;
565   }
566   
567   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
568   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
569   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
570   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
571   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
572   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
573   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
574   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
575     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
576       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
577       // code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this is the
578       // canonical backedge for this loop, as this can make some inserted code
579       // be in an illegal position.
580       BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
581       if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
582           (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
583         
584         // First step, split the critical edge.
585         SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P);
586             
587         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
588         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
589         // move the block to be immediately before the PHI block, not
590         // immediately after PredTI.
591         if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
592           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
593           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
594         }
595         
596         // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
597         e = PN->getNumIncomingValues();
598       }
599
600       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
601       if (!Code) {
602         // Insert the code into the end of the predecessor block.
603         Instruction *InsertPt = PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
604         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
605       }
606       
607       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
608       PN->setIncomingValue(i, Code);
609       Rewriter.clear();
610     }
611   }
612   DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
613 }
614
615
616 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
617 /// immediate field of a target instruction.
618 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V, const TargetLowering *TLI) {
619   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
620     int64_t V = SC->getValue()->getSExtValue();
621     if (TLI)
622       return TLI->isLegalAddressImmediate(V);
623     else
624       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
625       return (V > -(1 << 16) && V < (1 << 16)-1);
626   }
627
628   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
629     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
630       if (CE->getOpcode() == Instruction::Cast) {
631         Constant *Op0 = CE->getOperand(0);
632         if (isa<GlobalValue>(Op0) &&
633             TLI &&
634             TLI->isLegalAddressImmediate(cast<GlobalValue>(Op0)))
635           return true;
636       }
637   return false;
638 }
639
640 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
641 /// loop varying to the Imm operand.
642 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
643                                             Loop *L) {
644   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
645   
646   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
647     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
648     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
649     
650     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
651       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
652         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
653         // field of the expression.
654         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
655       } else {
656         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
657       }
658
659     if (NewOps.empty())
660       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
661     else
662       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
663   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
664     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
665     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
666     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
667     
668     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
669     Ops[0] = Start;
670     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
671   } else {
672     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
673     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
674     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
675   }
676 }
677
678
679 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
680 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
681 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
682 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
683                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
684                                 bool isAddress, Loop *L) {
685   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
686     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
687     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
688     
689     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
690       SCEVHandle NewOp = SAE->getOperand(i);
691       MoveImmediateValues(TLI, NewOp, Imm, isAddress, L);
692       
693       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
694         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
695         // field of the expression.
696         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, NewOp);
697       } else {
698         NewOps.push_back(NewOp);
699       }
700     }
701
702     if (NewOps.empty())
703       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
704     else
705       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
706     return;
707   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
708     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
709     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
710     MoveImmediateValues(TLI, Start, Imm, isAddress, L);
711     
712     if (Start != SARE->getStart()) {
713       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
714       Ops[0] = Start;
715       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
716     }
717     return;
718   } else if (SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
719     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
720     if (isAddress && isTargetConstant(SME->getOperand(0), TLI) &&
721         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
722
723       SCEVHandle SubImm = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
724       SCEVHandle NewOp = SME->getOperand(1);
725       MoveImmediateValues(TLI, NewOp, SubImm, isAddress, L);
726       
727       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
728       // simplify this!
729       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
730         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
731         // good.
732         SubImm = SCEVMulExpr::get(SubImm, SME->getOperand(0));
733         if (isTargetConstant(SubImm, TLI)) {
734           // Accumulate the immediate.
735           Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SubImm);
736           
737           // Update what is left of 'Val'.
738           Val = SCEVMulExpr::get(SME->getOperand(0), NewOp);
739           return;
740         }
741       }
742     }
743   }
744
745   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
746   // expression.
747   if ((isAddress && isTargetConstant(Val, TLI)) ||
748       !Val->isLoopInvariant(L)) {
749     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
750     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
751     return;
752   }
753
754   // Otherwise, no immediates to move.
755 }
756
757
758 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
759 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
760 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
761 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
762                              SCEVHandle Expr) {
763   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
764     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
765       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
766   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
767     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
768     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
769       SubExprs.push_back(Expr);
770     } else {
771       // Compute the addrec with zero as its base.
772       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
773       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
774       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
775       
776
777       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
778     }
779   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
780              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isNullValue()) {
781     // Do not add zero.
782     SubExprs.push_back(Expr);
783   }
784 }
785
786
787 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
788 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
789 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
790 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
791 static SCEVHandle 
792 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
793   unsigned NumUses = Uses.size();
794
795   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
796   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
797   SCEVHandle Result = Zero;
798   if (NumUses == 1) {
799     std::swap(Result, Uses[0].Base);
800     return Result;
801   }
802
803   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
804   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
805   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
806   
807   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
808   // order we see them.
809   std::vector<SCEVHandle> UniqueSubExprs;
810
811   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
812   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
813     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
814     // CSEs we can find.
815     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
816
817     // Split the expression into subexprs.
818     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
819     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
820     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
821       if (++SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]] == 1)
822         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
823     SubExprs.clear();
824   }
825
826   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
827   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
828   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
829     std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I = 
830        SubExpressionUseCounts.find(UniqueSubExprs[i]);
831     assert(I != SubExpressionUseCounts.end() && "Entry not found?");
832     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
833       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
834     } else {
835       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
836       SubExpressionUseCounts.erase(I);
837     }
838   }
839   
840   // If we found no CSE's, return now.
841   if (Result == Zero) return Result;
842   
843   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
844   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
845     // Split the expression into subexprs.
846     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
847
848     // Remove any common subexpressions.
849     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
850       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
851         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
852         --j; --e;
853       }
854     
855     // Finally, the non-shared expressions together.
856     if (SubExprs.empty())
857       Uses[i].Base = Zero;
858     else
859       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
860     SubExprs.clear();
861   }
862  
863   return Result;
864 }
865
866 /// isZero - returns true if the scalar evolution expression is zero.
867 ///
868 static bool isZero(SCEVHandle &V) {
869   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
870     return SC->getValue()->getZExtValue() == 0;
871   return false;
872 }
873
874
875 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
876 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
877 /// mode scale component. This allows the users of this stride to be rewritten
878 /// as prev iv * factor. It returns 0 if no reuse is possible.
879 unsigned LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(const SCEVHandle &Stride,
880                                              IVExpr &IV, const Type *Ty) {
881   if (!TLI) return 0;
882
883   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
884     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
885     if (SInt == 1) return 0;
886
887     for (TargetLowering::legal_am_scale_iterator
888            I = TLI->legal_am_scale_begin(), E = TLI->legal_am_scale_end();
889          I != E; ++I) {
890       unsigned Scale = *I;
891       if (unsigned(abs(SInt)) < Scale || (SInt % Scale) != 0)
892         continue;
893       std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI =
894         IVsByStride.find(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(SInt/Scale, Type::UIntTy));
895       if (SI == IVsByStride.end())
896         continue;
897       for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
898              IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
899         // FIXME: Only handle base == 0 for now.
900         // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
901         if (isZero(II->Base) &&
902             II->Base->getType()->isLosslesslyConvertibleTo(Ty)) {
903           IV = *II;
904           return Scale;
905         }
906     }
907   }
908
909   return 0;
910 }
911
912 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
913 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
914 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
915   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
916 }
917
918 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
919 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
920 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
921 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
922                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
923                                                       Loop *L,
924                                                       bool isOnlyStride) {
925   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
926   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
927   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
928   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
929   // have the full access expression to rewrite the use.
930   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
931   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
932   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
933     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
934     
935     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
936     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
937     // computed.
938     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
939                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
940     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
941            "Base value is not loop invariant!");
942   }
943
944   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
945   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
946   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
947   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
948   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
949   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
950   // UsersToProcess base values.
951   SCEVHandle CommonExprs =
952     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
953   
954   // Check if it is possible to reuse a IV with stride that is factor of this
955   // stride. And the multiple is a number that can be encoded in the scale
956   // field of the target addressing mode.
957   PHINode *NewPHI = NULL;
958   Value   *IncV   = NULL;
959   IVExpr   ReuseIV;
960   unsigned RewriteFactor = CheckForIVReuse(Stride, ReuseIV,
961                                            CommonExprs->getType());
962   if (RewriteFactor != 0) {
963     DEBUG(std::cerr << "BASED ON IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
964           << " and BASE " << *ReuseIV.Base << " :\n");
965     NewPHI = ReuseIV.PHI;
966     IncV   = ReuseIV.IncV;
967   }
968
969   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
970   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
971   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
972   // of the remaining uses.
973   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
974     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
975     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
976     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
977     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
978       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
979                                                UsersToProcess[i].Base);
980       UsersToProcess[i].Base = 
981         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
982     } else {
983       
984       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
985       // the store is through the expression, not of the expression though.
986       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
987       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
988         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
989           isAddress = true;
990       
991       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Base, UsersToProcess[i].Imm,
992                           isAddress, L);
993     }
994   }
995
996   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
997   //
998   DEBUG(std::cerr << "INSERTING IV of STRIDE " << *Stride << " and BASE "
999         << *CommonExprs << " :\n");
1000
1001   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
1002   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
1003   
1004   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1005   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1006   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
1007   
1008   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1009
1010   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1011
1012   // Emit the initial base value into the loop preheader.
1013   Value *CommonBaseV
1014     = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt,
1015                                       ReplacedTy);
1016
1017   if (RewriteFactor == 0) {
1018     // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
1019     NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
1020     ++NumInserted;
1021   
1022     // Add common base to the new Phi node.
1023     NewPHI->addIncoming(CommonBaseV, Preheader);
1024
1025     // Insert the stride into the preheader.
1026     Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Stride, PreInsertPt,
1027                                                      ReplacedTy);
1028     if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
1029
1030     // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
1031     // latch block, and add it to the Phi node.
1032     SCEVHandle IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI),
1033                                          SCEVUnknown::get(StrideV));
1034   
1035     IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator(),
1036                                   ReplacedTy);
1037     IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
1038     NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1039
1040     // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1041     IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, NewPHI, IncV);
1042   } else {
1043     Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1044     if (!C ||
1045         (!C->isNullValue() &&
1046          !isTargetConstant(SCEVUnknown::get(CommonBaseV), TLI)))
1047       // We want the common base emitted into the preheader!
1048       CommonBaseV = new CastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(),
1049                                  "commonbase", PreInsertPt);
1050   }
1051
1052   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1053   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1054   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1055   // vector (so we handle them first).
1056   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1057                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1058   
1059   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1060   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1061   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1062   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1063   //
1064   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1065   // SCEVHandle's don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1066   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1067   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1068   // ==.
1069   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1070     // Get a base value.
1071     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1072     
1073     // Compact everything with this base to be consequetive with this one.
1074     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1075       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1076         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1077         ++i;
1078       }
1079     }
1080   }
1081
1082   // Process all the users now.  This outer loop handles all bases, the inner
1083   // loop handles all users of a particular base.
1084   while (!UsersToProcess.empty()) {
1085     SCEVHandle Base = UsersToProcess.back().Base;
1086
1087     DEBUG(std::cerr << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":\n");
1088    
1089     // Emit the code for Base into the preheader.
1090     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt,
1091                                                    ReplacedTy);
1092     
1093     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
1094     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
1095     // this by forcing a noop cast to be inserted into the preheader in this
1096     // case.
1097     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV)) {
1098       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base, TLI)) {
1099         // We want this constant emitted into the preheader!
1100         BaseV = new CastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1101                              PreInsertPt);       
1102       }
1103     }
1104
1105     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1106     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1107     do {
1108       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1109       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1110
1111       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1112       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1113       Value *RewriteOp = NewPHI;
1114       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1115         RewriteOp = IncV;
1116
1117         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1118         // loop to ensure it is dominated by the increment.
1119         if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1120           User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
1121       }
1122       if (RewriteOp->getType() != ReplacedTy)
1123         RewriteOp = SCEVExpander::InsertCastOfTo(RewriteOp, ReplacedTy);
1124
1125       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
1126
1127       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1128       // to have the code emitted where we expect it.
1129       Rewriter.clear();
1130
1131       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1132       // factor take advantage of addressing mode scale component.
1133       if (RewriteFactor != 0) {
1134         RewriteExpr =
1135           SCEVMulExpr::get(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(RewriteFactor,
1136                                                        RewriteExpr->getType()),
1137                            RewriteExpr);
1138
1139         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1140         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1141         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1142         if (!isa<ConstantInt>(CommonBaseV) ||
1143             !cast<ConstantInt>(CommonBaseV)->isNullValue())
1144           RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr,
1145                                          SCEVUnknown::get(CommonBaseV));
1146       }
1147
1148       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1149       // immediate and any loop-variant expressions.
1150       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isNullValue())
1151         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1152         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
1153
1154       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
1155
1156       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
1157       // if we just replaced the last use of that value.
1158       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
1159
1160       UsersToProcess.pop_back();
1161       ++NumReduced;
1162
1163       // If there are any more users to process with the same base, process them
1164       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1165     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1166     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1167   }
1168
1169   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1170   // different starting values, into different PHIs.
1171 }
1172
1173 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
1174 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
1175 // common indvars for the different uses.
1176 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
1177   // TODO: implement optzns here.
1178
1179
1180
1181
1182   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1183   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1184   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1185   // one register value.
1186   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
1187   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1188   BasicBlock *LatchBlock =
1189    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
1190   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
1191   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() ||
1192       !isa<SetCondInst>(TermBr->getCondition()))
1193     return;
1194   SetCondInst *Cond = cast<SetCondInst>(TermBr->getCondition());
1195
1196   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1197   IVStrideUse *CondUse = 0;
1198   const SCEVHandle *CondStride = 0;
1199
1200   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e && !CondUse;
1201        ++Stride) {
1202     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1203       IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1204     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1205     
1206     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second.Users.begin(),
1207            E = SI->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
1208       if (UI->User == Cond) {
1209         CondUse = &*UI;
1210         CondStride = &SI->first;
1211         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1212         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1213         // occurs enough in real life to handle.
1214         break;
1215       }
1216   }
1217   if (!CondUse) return;  // setcc doesn't use the IV.
1218
1219   // setcc stride is complex, don't mess with users.
1220   // FIXME: Evaluate whether this is a good idea or not.
1221   if (!isa<SCEVConstant>(*CondStride)) return;
1222
1223   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
1224   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
1225   // the latch block branch, move it.
1226   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
1227     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
1228       Cond->moveBefore(TermBr);
1229     } else {
1230       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
1231       Cond = cast<SetCondInst>(Cond->clone());
1232       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
1233       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
1234       
1235       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
1236       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
1237                                          CondUse->OperandValToReplace);
1238       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
1239     }
1240   }
1241
1242   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
1243   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
1244   // live ranges for the IV correctly.
1245   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
1246   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
1247 }
1248
1249 namespace {
1250   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1251   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1252   // e.g.
1253   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1254   struct StrideCompare {
1255     bool operator()(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1256       SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1257       SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1258       if (LHSC && RHSC) {
1259         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1260         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1261         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1262         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1263         if (ALV == ARV)
1264           return LV > RV;
1265         else
1266           return ALV < ARV;
1267       }
1268       return (LHSC && !RHSC);
1269     }
1270   };
1271 }
1272
1273 void LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L) {
1274   // First step, transform all loops nesting inside of this loop.
1275   for (LoopInfo::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
1276     runOnLoop(*I);
1277
1278   // Next, find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
1279   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
1280   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
1281   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
1282   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
1283     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
1284
1285   // If we have nothing to do, return.
1286   if (IVUsesByStride.empty()) return;
1287
1288   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
1289   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
1290   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
1291   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
1292   OptimizeIndvars(L);
1293
1294
1295   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
1296   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
1297
1298   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
1299   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
1300   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
1301   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
1302   // indvars.
1303
1304   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
1305   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
1306
1307 #ifndef NDEBUG
1308   DEBUG(std::cerr << "\nLSR on ");
1309   DEBUG(L->dump());
1310 #endif
1311
1312   // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
1313   IVsByStride.clear();
1314
1315   // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
1316   std::stable_sort(StrideOrder.begin(), StrideOrder.end(), StrideCompare());
1317
1318   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
1319   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.  Also,
1320   // node that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using StrideOrder.
1321   // This extra layer of indirection makes the ordering of strides deterministic
1322   // - not dependent on map order.
1323   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e; ++Stride) {
1324     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1325       IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1326     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1327     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
1328   }
1329
1330   // Clean up after ourselves
1331   if (!DeadInsts.empty()) {
1332     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1333
1334     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1335     PHINode *PN;
1336     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
1337       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
1338       
1339       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
1340       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
1341       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
1342       // indvar to be considered dead are:
1343       // 1. the cann indvar has one use
1344       // 2. the use is an add instruction
1345       // 3. the add has one use
1346       // 4. the add is used by the cann indvar
1347       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1348       // the cann indvar.
1349       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1350       // compared against some value to decide loop termination.
1351       if (PN->hasOneUse()) {
1352         BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(*(PN->use_begin()));
1353         if (BO && BO->hasOneUse()) {
1354           if (PN == *(BO->use_begin())) {
1355             DeadInsts.insert(BO);
1356             // Break the cycle, then delete the PHI.
1357             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1358             SE->deleteInstructionFromRecords(PN);
1359             PN->eraseFromParent();
1360           }
1361         }
1362       }
1363     }
1364     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1365   }
1366
1367   CastedPointers.clear();
1368   IVUsesByStride.clear();
1369   StrideOrder.clear();
1370   return;
1371 }