Fix
[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/LoopPass.h"
27 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
28 #include "llvm/Support/CFG.h"
29 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
32 #include "llvm/Target/TargetData.h"
33 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
34 #include "llvm/Support/Debug.h"
35 #include "llvm/Support/Compiler.h"
36 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
37 #include <algorithm>
38 #include <set>
39 using namespace llvm;
40
41 STATISTIC(NumReduced , "Number of GEPs strength reduced");
42 STATISTIC(NumInserted, "Number of PHIs inserted");
43 STATISTIC(NumVariable, "Number of PHIs with variable strides");
44
45 namespace {
46
47   struct BasedUser;
48
49   /// IVStrideUse - Keep track of one use of a strided induction variable, where
50   /// the stride is stored externally.  The Offset member keeps track of the 
51   /// offset from the IV, User is the actual user of the operand, and 'Operand'
52   /// is the operand # of the User that is the use.
53   struct VISIBILITY_HIDDEN IVStrideUse {
54     SCEVHandle Offset;
55     Instruction *User;
56     Value *OperandValToReplace;
57
58     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
59     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
60     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
61     // instruction for a loop or uses dominated by the loop.
62     bool isUseOfPostIncrementedValue;
63     
64     IVStrideUse(const SCEVHandle &Offs, Instruction *U, Value *O)
65       : Offset(Offs), User(U), OperandValToReplace(O),
66         isUseOfPostIncrementedValue(false) {}
67   };
68   
69   /// IVUsersOfOneStride - This structure keeps track of all instructions that
70   /// have an operand that is based on the trip count multiplied by some stride.
71   /// The stride for all of these users is common and kept external to this
72   /// structure.
73   struct VISIBILITY_HIDDEN IVUsersOfOneStride {
74     /// Users - Keep track of all of the users of this stride as well as the
75     /// initial value and the operand that uses the IV.
76     std::vector<IVStrideUse> Users;
77     
78     void addUser(const SCEVHandle &Offset,Instruction *User, Value *Operand) {
79       Users.push_back(IVStrideUse(Offset, User, Operand));
80     }
81   };
82
83   /// IVInfo - This structure keeps track of one IV expression inserted during
84   /// StrengthReduceStridedIVUsers. It contains the stride, the common base, as
85   /// well as the PHI node and increment value created for rewrite.
86   struct VISIBILITY_HIDDEN IVExpr {
87     SCEVHandle  Stride;
88     SCEVHandle  Base;
89     PHINode    *PHI;
90     Value      *IncV;
91
92     IVExpr()
93       : Stride(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)),
94         Base  (SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)) {}
95     IVExpr(const SCEVHandle &stride, const SCEVHandle &base, PHINode *phi,
96            Value *incv)
97       : Stride(stride), Base(base), PHI(phi), IncV(incv) {}
98   };
99
100   /// IVsOfOneStride - This structure keeps track of all IV expression inserted
101   /// during StrengthReduceStridedIVUsers for a particular stride of the IV.
102   struct VISIBILITY_HIDDEN IVsOfOneStride {
103     std::vector<IVExpr> IVs;
104
105     void addIV(const SCEVHandle &Stride, const SCEVHandle &Base, PHINode *PHI,
106                Value *IncV) {
107       IVs.push_back(IVExpr(Stride, Base, PHI, IncV));
108     }
109   };
110
111   class VISIBILITY_HIDDEN LoopStrengthReduce : public LoopPass {
112     LoopInfo *LI;
113     ETForest *EF;
114     ScalarEvolution *SE;
115     const TargetData *TD;
116     const Type *UIntPtrTy;
117     bool Changed;
118
119     /// IVUsesByStride - Keep track of all uses of induction variables that we
120     /// are interested in.  The key of the map is the stride of the access.
121     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride> IVUsesByStride;
122
123     /// IVsByStride - Keep track of all IVs that have been inserted for a
124     /// particular stride.
125     std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride> IVsByStride;
126
127     /// StrideOrder - An ordering of the keys in IVUsesByStride that is stable:
128     /// We use this to iterate over the IVUsesByStride collection without being
129     /// dependent on random ordering of pointers in the process.
130     std::vector<SCEVHandle> StrideOrder;
131
132     /// CastedValues - As we need to cast values to uintptr_t, this keeps track
133     /// of the casted version of each value.  This is accessed by
134     /// getCastedVersionOf.
135     std::map<Value*, Value*> CastedPointers;
136
137     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
138     /// we can remove them after we are done working.
139     std::set<Instruction*> DeadInsts;
140
141     /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
142     /// transformation profitability.
143     const TargetLowering *TLI;
144
145   public:
146     LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = NULL) : TLI(tli) {
147     }
148
149     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
150
151     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
152       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
153       // many analyses if they are around.
154       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
155       AU.addPreserved<LoopInfo>();
156       AU.addPreserved<ETForest>();
157       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
158       AU.addPreserved<DominatorTree>();
159
160       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
161       AU.addRequired<LoopInfo>();
162       AU.addRequired<ETForest>();
163       AU.addRequired<TargetData>();
164       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
165     }
166     
167     /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
168     ///
169     Value *getCastedVersionOf(Instruction::CastOps opcode, Value *V);
170 private:
171     bool AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
172                                std::set<Instruction*> &Processed);
173     SCEVHandle GetExpressionSCEV(Instruction *E, Loop *L);
174
175     void OptimizeIndvars(Loop *L);
176     bool FindIVForUser(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
177                        const SCEVHandle *&CondStride);
178
179     unsigned CheckForIVReuse(const SCEVHandle&, IVExpr&, const Type*,
180                              const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
181
182     bool ValidStride(int64_t, const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
183
184     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
185                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
186                                       Loop *L, bool isOnlyStride);
187     void DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts);
188   };
189   RegisterPass<LoopStrengthReduce> X("loop-reduce", "Loop Strength Reduction");
190 }
191
192 LoopPass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
193   return new LoopStrengthReduce(TLI);
194 }
195
196 /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t. This
197 /// assumes that the Value* V is of integer or pointer type only.
198 ///
199 Value *LoopStrengthReduce::getCastedVersionOf(Instruction::CastOps opcode, 
200                                               Value *V) {
201   if (V->getType() == UIntPtrTy) return V;
202   if (Constant *CB = dyn_cast<Constant>(V))
203     return ConstantExpr::getCast(opcode, CB, UIntPtrTy);
204
205   Value *&New = CastedPointers[V];
206   if (New) return New;
207   
208   New = SCEVExpander::InsertCastOfTo(opcode, V, UIntPtrTy);
209   DeadInsts.insert(cast<Instruction>(New));
210   return New;
211 }
212
213
214 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
215 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
216 /// their operands subsequently dead.
217 void LoopStrengthReduce::
218 DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts) {
219   while (!Insts.empty()) {
220     Instruction *I = *Insts.begin();
221     Insts.erase(Insts.begin());
222     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
223       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
224         if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
225           Insts.insert(U);
226       SE->deleteInstructionFromRecords(I);
227       I->eraseFromParent();
228       Changed = true;
229     }
230   }
231 }
232
233
234 /// GetExpressionSCEV - Compute and return the SCEV for the specified
235 /// instruction.
236 SCEVHandle LoopStrengthReduce::GetExpressionSCEV(Instruction *Exp, Loop *L) {
237   // Pointer to pointer bitcast instructions return the same value as their
238   // operand.
239   if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Exp)) {
240     if (SE->hasSCEV(BCI) || !isa<Instruction>(BCI->getOperand(0)))
241       return SE->getSCEV(BCI);
242     SCEVHandle R = GetExpressionSCEV(cast<Instruction>(BCI->getOperand(0)), L);
243     SE->setSCEV(BCI, R);
244     return R;
245   }
246
247   // Scalar Evolutions doesn't know how to compute SCEV's for GEP instructions.
248   // If this is a GEP that SE doesn't know about, compute it now and insert it.
249   // If this is not a GEP, or if we have already done this computation, just let
250   // SE figure it out.
251   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Exp);
252   if (!GEP || SE->hasSCEV(GEP))
253     return SE->getSCEV(Exp);
254     
255   // Analyze all of the subscripts of this getelementptr instruction, looking
256   // for uses that are determined by the trip count of L.  First, skip all
257   // operands the are not dependent on the IV.
258
259   // Build up the base expression.  Insert an LLVM cast of the pointer to
260   // uintptr_t first.
261   SCEVHandle GEPVal = SCEVUnknown::get(
262       getCastedVersionOf(Instruction::PtrToInt, GEP->getOperand(0)));
263
264   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
265   
266   for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
267     // If this is a use of a recurrence that we can analyze, and it comes before
268     // Op does in the GEP operand list, we will handle this when we process this
269     // operand.
270     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
271       const StructLayout *SL = TD->getStructLayout(STy);
272       unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))->getZExtValue();
273       uint64_t Offset = SL->getElementOffset(Idx);
274       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal,
275                                 SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Offset, UIntPtrTy));
276     } else {
277       unsigned GEPOpiBits = 
278         GEP->getOperand(i)->getType()->getPrimitiveSizeInBits();
279       unsigned IntPtrBits = UIntPtrTy->getPrimitiveSizeInBits();
280       Instruction::CastOps opcode = (GEPOpiBits < IntPtrBits ? 
281           Instruction::SExt : (GEPOpiBits > IntPtrBits ? Instruction::Trunc :
282             Instruction::BitCast));
283       Value *OpVal = getCastedVersionOf(opcode, GEP->getOperand(i));
284       SCEVHandle Idx = SE->getSCEV(OpVal);
285
286       uint64_t TypeSize = TD->getTypeSize(GTI.getIndexedType());
287       if (TypeSize != 1)
288         Idx = SCEVMulExpr::get(Idx,
289                                SCEVConstant::get(ConstantInt::get(UIntPtrTy,
290                                                                    TypeSize)));
291       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal, Idx);
292     }
293   }
294
295   SE->setSCEV(GEP, GEPVal);
296   return GEPVal;
297 }
298
299 /// getSCEVStartAndStride - Compute the start and stride of this expression,
300 /// returning false if the expression is not a start/stride pair, or true if it
301 /// is.  The stride must be a loop invariant expression, but the start may be
302 /// a mix of loop invariant and loop variant expressions.
303 static bool getSCEVStartAndStride(const SCEVHandle &SH, Loop *L,
304                                   SCEVHandle &Start, SCEVHandle &Stride) {
305   SCEVHandle TheAddRec = Start;   // Initialize to zero.
306
307   // If the outer level is an AddExpr, the operands are all start values except
308   // for a nested AddRecExpr.
309   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(SH)) {
310     for (unsigned i = 0, e = AE->getNumOperands(); i != e; ++i)
311       if (SCEVAddRecExpr *AddRec =
312              dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(AE->getOperand(i))) {
313         if (AddRec->getLoop() == L)
314           TheAddRec = SCEVAddExpr::get(AddRec, TheAddRec);
315         else
316           return false;  // Nested IV of some sort?
317       } else {
318         Start = SCEVAddExpr::get(Start, AE->getOperand(i));
319       }
320         
321   } else if (isa<SCEVAddRecExpr>(SH)) {
322     TheAddRec = SH;
323   } else {
324     return false;  // not analyzable.
325   }
326   
327   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(TheAddRec);
328   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L) return false;
329   
330   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
331   if (!AddRec->isAffine()) return false;
332
333   Start = SCEVAddExpr::get(Start, AddRec->getOperand(0));
334   
335   if (!isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1)))
336     DOUT << "[" << L->getHeader()->getName()
337          << "] Variable stride: " << *AddRec << "\n";
338
339   Stride = AddRec->getOperand(1);
340   return true;
341 }
342
343 /// IVUseShouldUsePostIncValue - We have discovered a "User" of an IV expression
344 /// and now we need to decide whether the user should use the preinc or post-inc
345 /// value.  If this user should use the post-inc version of the IV, return true.
346 ///
347 /// Choosing wrong here can break dominance properties (if we choose to use the
348 /// post-inc value when we cannot) or it can end up adding extra live-ranges to
349 /// the loop, resulting in reg-reg copies (if we use the pre-inc value when we
350 /// should use the post-inc value).
351 static bool IVUseShouldUsePostIncValue(Instruction *User, Instruction *IV,
352                                        Loop *L, ETForest *EF, Pass *P) {
353   // If the user is in the loop, use the preinc value.
354   if (L->contains(User->getParent())) return false;
355   
356   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
357   
358   // Ok, the user is outside of the loop.  If it is dominated by the latch
359   // block, use the post-inc value.
360   if (EF->dominates(LatchBlock, User->getParent()))
361     return true;
362
363   // There is one case we have to be careful of: PHI nodes.  These little guys
364   // can live in blocks that do not dominate the latch block, but (since their
365   // uses occur in the predecessor block, not the block the PHI lives in) should
366   // still use the post-inc value.  Check for this case now.
367   PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User);
368   if (!PN) return false;  // not a phi, not dominated by latch block.
369   
370   // Look at all of the uses of IV by the PHI node.  If any use corresponds to
371   // a block that is not dominated by the latch block, give up and use the
372   // preincremented value.
373   unsigned NumUses = 0;
374   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
375     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
376       ++NumUses;
377       if (!EF->dominates(LatchBlock, PN->getIncomingBlock(i)))
378         return false;
379     }
380
381   // Okay, all uses of IV by PN are in predecessor blocks that really are
382   // dominated by the latch block.  Split the critical edges and use the
383   // post-incremented value.
384   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
385     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
386       SplitCriticalEdge(PN->getIncomingBlock(i), PN->getParent(), P,
387                         true);
388       // Splitting the critical edge can reduce the number of entries in this
389       // PHI.
390       e = PN->getNumIncomingValues();
391       if (--NumUses == 0) break;
392     }
393   
394   return true;
395 }
396
397   
398
399 /// AddUsersIfInteresting - Inspect the specified instruction.  If it is a
400 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
401 /// return true.  Otherwise, return false.
402 bool LoopStrengthReduce::AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
403                                             std::set<Instruction*> &Processed) {
404   if (!I->getType()->isInteger() && !isa<PointerType>(I->getType()))
405       return false;   // Void and FP expressions cannot be reduced.
406   if (!Processed.insert(I).second)
407     return true;    // Instruction already handled.
408   
409   // Get the symbolic expression for this instruction.
410   SCEVHandle ISE = GetExpressionSCEV(I, L);
411   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ISE)) return false;
412   
413   // Get the start and stride for this expression.
414   SCEVHandle Start = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, ISE->getType());
415   SCEVHandle Stride = Start;
416   if (!getSCEVStartAndStride(ISE, L, Start, Stride))
417     return false;  // Non-reducible symbolic expression, bail out.
418
419   std::vector<Instruction *> IUsers;
420   // Collect all I uses now because IVUseShouldUsePostIncValue may 
421   // invalidate use_iterator.
422   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E; ++UI)
423     IUsers.push_back(cast<Instruction>(*UI));
424
425   for (unsigned iused_index = 0, iused_size = IUsers.size(); 
426        iused_index != iused_size; ++iused_index) {
427
428     Instruction *User = IUsers[iused_index];
429
430     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
431     if (isa<PHINode>(User) && Processed.count(User))
432       continue;
433
434     // If this is an instruction defined in a nested loop, or outside this loop,
435     // don't recurse into it.
436     bool AddUserToIVUsers = false;
437     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
438       DOUT << "FOUND USER in other loop: " << *User
439            << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n";
440       AddUserToIVUsers = true;
441     } else if (!AddUsersIfInteresting(User, L, Processed)) {
442       DOUT << "FOUND USER: " << *User
443            << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n";
444       AddUserToIVUsers = true;
445     }
446
447     if (AddUserToIVUsers) {
448       IVUsersOfOneStride &StrideUses = IVUsesByStride[Stride];
449       if (StrideUses.Users.empty())     // First occurance of this stride?
450         StrideOrder.push_back(Stride);
451       
452       // Okay, we found a user that we cannot reduce.  Analyze the instruction
453       // and decide what to do with it.  If we are a use inside of the loop, use
454       // the value before incrementation, otherwise use it after incrementation.
455       if (IVUseShouldUsePostIncValue(User, I, L, EF, this)) {
456         // The value used will be incremented by the stride more than we are
457         // expecting, so subtract this off.
458         SCEVHandle NewStart = SCEV::getMinusSCEV(Start, Stride);
459         StrideUses.addUser(NewStart, User, I);
460         StrideUses.Users.back().isUseOfPostIncrementedValue = true;
461         DOUT << "   USING POSTINC SCEV, START=" << *NewStart<< "\n";
462       } else {        
463         StrideUses.addUser(Start, User, I);
464       }
465     }
466   }
467   return true;
468 }
469
470 namespace {
471   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
472   /// partitioned the expression so far.
473   struct BasedUser {
474     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
475     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
476     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
477     /// field.
478     SCEVHandle Base;
479     
480     /// Inst - The instruction using the induction variable.
481     Instruction *Inst;
482
483     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
484     /// EmittedBase.
485     Value *OperandValToReplace;
486
487     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
488     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
489     /// instruction.
490     SCEVHandle Imm;
491
492     /// EmittedBase - The actual value* to use for the base value of this
493     /// operation.  This is null if we should just use zero so far.
494     Value *EmittedBase;
495
496     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
497     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
498     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
499     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
500     // the loop.
501     bool isUseOfPostIncrementedValue;
502     
503     BasedUser(IVStrideUse &IVSU)
504       : Base(IVSU.Offset), Inst(IVSU.User), 
505         OperandValToReplace(IVSU.OperandValToReplace), 
506         Imm(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Base->getType())), EmittedBase(0),
507         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue) {}
508
509     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
510     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
511     // to it.
512     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
513                                         SCEVExpander &Rewriter, Loop *L,
514                                         Pass *P);
515     
516     Value *InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
517                                        SCEVExpander &Rewriter,
518                                        Instruction *IP, Loop *L);
519     void dump() const;
520   };
521 }
522
523 void BasedUser::dump() const {
524   cerr << " Base=" << *Base;
525   cerr << " Imm=" << *Imm;
526   if (EmittedBase)
527     cerr << "  EB=" << *EmittedBase;
528
529   cerr << "   Inst: " << *Inst;
530 }
531
532 Value *BasedUser::InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
533                                               SCEVExpander &Rewriter,
534                                               Instruction *IP, Loop *L) {
535   // Figure out where we *really* want to insert this code.  In particular, if
536   // the user is inside of a loop that is nested inside of L, we really don't
537   // want to insert this expression before the user, we'd rather pull it out as
538   // many loops as possible.
539   LoopInfo &LI = Rewriter.getLoopInfo();
540   Instruction *BaseInsertPt = IP;
541   
542   // Figure out the most-nested loop that IP is in.
543   Loop *InsertLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
544   
545   // If InsertLoop is not L, and InsertLoop is nested inside of L, figure out
546   // the preheader of the outer-most loop where NewBase is not loop invariant.
547   while (InsertLoop && NewBase->isLoopInvariant(InsertLoop)) {
548     BaseInsertPt = InsertLoop->getLoopPreheader()->getTerminator();
549     InsertLoop = InsertLoop->getParentLoop();
550   }
551   
552   // If there is no immediate value, skip the next part.
553   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Imm))
554     if (SC->getValue()->isZero())
555       return Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt,
556                                     OperandValToReplace->getType());
557
558   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt);
559   
560   // Always emit the immediate (if non-zero) into the same block as the user.
561   SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(Base), Imm);
562   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, IP,
563                                 OperandValToReplace->getType());
564 }
565
566
567 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
568 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
569 // to it.
570 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
571                                                SCEVExpander &Rewriter,
572                                                Loop *L, Pass *P) {
573   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
574     // By default, insert code at the user instruction.
575     BasicBlock::iterator InsertPt = Inst;
576     
577     // However, if the Operand is itself an instruction, the (potentially
578     // complex) inserted code may be shared by many users.  Because of this, we
579     // want to emit code for the computation of the operand right before its old
580     // computation.  This is usually safe, because we obviously used to use the
581     // computation when it was computed in its current block.  However, in some
582     // cases (e.g. use of a post-incremented induction variable) the NewBase
583     // value will be pinned to live somewhere after the original computation.
584     // In this case, we have to back off.
585     if (!isUseOfPostIncrementedValue) {
586       if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace)) { 
587         InsertPt = OpInst;
588         while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
589       }
590     }
591     
592     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
593     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
594     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
595     DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst;
596     return;
597   }
598   
599   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
600   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
601   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
602   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
603   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
604   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
605   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
606   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
607     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
608       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
609       // code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this is the
610       // canonical backedge for this loop, as this can make some inserted code
611       // be in an illegal position.
612       BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
613       if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
614           (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
615         
616         // First step, split the critical edge.
617         SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P, true);
618             
619         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
620         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
621         // move the block to be immediately before the PHI block, not
622         // immediately after PredTI.
623         if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
624           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
625           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
626         }
627         
628         // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
629         e = PN->getNumIncomingValues();
630       }
631
632       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
633       if (!Code) {
634         // Insert the code into the end of the predecessor block.
635         Instruction *InsertPt = PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
636         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
637       }
638       
639       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
640       PN->setIncomingValue(i, Code);
641       Rewriter.clear();
642     }
643   }
644   DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst;
645 }
646
647
648 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
649 /// immediate field of a target instruction.
650 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V, const Type *UseTy,
651                              const TargetLowering *TLI) {
652   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
653     int64_t VC = SC->getValue()->getSExtValue();
654     if (TLI) {
655       TargetLowering::AddrMode AM;
656       AM.BaseOffs = VC;
657       return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
658     } else {
659       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
660       return (VC > -(1 << 16) && VC < (1 << 16)-1);
661     }
662   }
663
664   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
665     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
666       if (TLI && CE->getOpcode() == Instruction::PtrToInt) {
667         Constant *Op0 = CE->getOperand(0);
668         if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(Op0)) {
669           TargetLowering::AddrMode AM;
670           AM.BaseGV = GV;
671           return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
672         }
673       }
674   return false;
675 }
676
677 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
678 /// loop varying to the Imm operand.
679 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
680                                             Loop *L) {
681   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
682   
683   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
684     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
685     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
686     
687     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
688       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
689         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
690         // field of the expression.
691         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
692       } else {
693         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
694       }
695
696     if (NewOps.empty())
697       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
698     else
699       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
700   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
701     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
702     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
703     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
704     
705     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
706     Ops[0] = Start;
707     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
708   } else {
709     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
710     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
711     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
712   }
713 }
714
715
716 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
717 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
718 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
719 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
720                                 Instruction *User,
721                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
722                                 bool isAddress, Loop *L) {
723   const Type *UseTy = User->getType();
724   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User))
725     UseTy = SI->getOperand(0)->getType();
726
727   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
728     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
729     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
730     
731     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
732       SCEVHandle NewOp = SAE->getOperand(i);
733       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, Imm, isAddress, L);
734       
735       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
736         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
737         // field of the expression.
738         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, NewOp);
739       } else {
740         NewOps.push_back(NewOp);
741       }
742     }
743
744     if (NewOps.empty())
745       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
746     else
747       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
748     return;
749   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
750     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
751     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
752     MoveImmediateValues(TLI, User, Start, Imm, isAddress, L);
753     
754     if (Start != SARE->getStart()) {
755       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
756       Ops[0] = Start;
757       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
758     }
759     return;
760   } else if (SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
761     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
762     if (isAddress && isTargetConstant(SME->getOperand(0), UseTy, TLI) &&
763         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
764
765       SCEVHandle SubImm = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
766       SCEVHandle NewOp = SME->getOperand(1);
767       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, SubImm, isAddress, L);
768       
769       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
770       // simplify this!
771       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
772         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
773         // good.
774         SubImm = SCEVMulExpr::get(SubImm, SME->getOperand(0));
775         if (isTargetConstant(SubImm, UseTy, TLI)) {
776           // Accumulate the immediate.
777           Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SubImm);
778           
779           // Update what is left of 'Val'.
780           Val = SCEVMulExpr::get(SME->getOperand(0), NewOp);
781           return;
782         }
783       }
784     }
785   }
786
787   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
788   // expression.
789   if ((isAddress && isTargetConstant(Val, UseTy, TLI)) ||
790       !Val->isLoopInvariant(L)) {
791     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
792     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
793     return;
794   }
795
796   // Otherwise, no immediates to move.
797 }
798
799
800 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
801 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
802 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
803 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
804                              SCEVHandle Expr) {
805   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
806     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
807       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
808   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
809     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
810     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
811       SubExprs.push_back(Expr);
812     } else {
813       // Compute the addrec with zero as its base.
814       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
815       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
816       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
817       
818
819       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
820     }
821   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
822              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isZero()) {
823     // Do not add zero.
824     SubExprs.push_back(Expr);
825   }
826 }
827
828
829 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
830 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
831 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
832 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
833 static SCEVHandle 
834 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
835   unsigned NumUses = Uses.size();
836
837   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
838   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
839   SCEVHandle Result = Zero;
840   if (NumUses == 1) {
841     std::swap(Result, Uses[0].Base);
842     return Result;
843   }
844
845   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
846   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
847   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
848   
849   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
850   // order we see them.
851   std::vector<SCEVHandle> UniqueSubExprs;
852
853   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
854   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
855     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
856     // CSEs we can find.
857     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
858
859     // Split the expression into subexprs.
860     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
861     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
862     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
863       if (++SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]] == 1)
864         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
865     SubExprs.clear();
866   }
867
868   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
869   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
870   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
871     std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I = 
872        SubExpressionUseCounts.find(UniqueSubExprs[i]);
873     assert(I != SubExpressionUseCounts.end() && "Entry not found?");
874     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
875       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
876     } else {
877       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
878       SubExpressionUseCounts.erase(I);
879     }
880   }
881   
882   // If we found no CSE's, return now.
883   if (Result == Zero) return Result;
884   
885   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
886   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
887     // Split the expression into subexprs.
888     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
889
890     // Remove any common subexpressions.
891     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
892       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
893         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
894         --j; --e;
895       }
896     
897     // Finally, the non-shared expressions together.
898     if (SubExprs.empty())
899       Uses[i].Base = Zero;
900     else
901       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
902     SubExprs.clear();
903   }
904  
905   return Result;
906 }
907
908 /// isZero - returns true if the scalar evolution expression is zero.
909 ///
910 static bool isZero(SCEVHandle &V) {
911   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
912     return SC->getValue()->isZero();
913   return false;
914 }
915
916 /// ValidStride - Check whether the given Scale is valid for all loads and 
917 /// stores in UsersToProcess.
918 ///
919 bool LoopStrengthReduce::ValidStride(int64_t Scale, 
920                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
921   for (unsigned i=0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
922     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
923     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
924     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
925       AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
926     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst))
927       AccessTy = LI->getType();
928     
929     TargetLowering::AddrMode AM;
930     if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
931       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
932     AM.Scale = Scale;
933
934     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
935     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
936       return false;
937   }
938   return true;
939 }
940
941 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
942 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
943 /// mode scale component. This allows the users of this stride to be rewritten
944 /// as prev iv * factor. It returns 0 if no reuse is possible.
945 unsigned LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(const SCEVHandle &Stride, 
946                                 IVExpr &IV, const Type *Ty,
947                                 const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
948   if (!TLI) return 0;
949
950   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
951     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
952     if (SInt == 1) return 0;
953
954     for (std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI= IVsByStride.begin(),
955            SE = IVsByStride.end(); SI != SE; ++SI) {
956       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
957       if (SInt != -SSInt &&
958           (unsigned(abs(SInt)) < SSInt || (SInt % SSInt) != 0))
959         continue;
960       int64_t Scale = SInt / SSInt;
961       // Check that this stride is valid for all the types used for loads and
962       // stores; if it can be used for some and not others, we might as well use
963       // the original stride everywhere, since we have to create the IV for it
964       // anyway.
965       if (ValidStride(Scale, UsersToProcess))
966         for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
967                IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
968           // FIXME: Only handle base == 0 for now.
969           // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
970           if (isZero(II->Base) && II->Base->getType() == Ty) {
971             IV = *II;
972             return Scale;
973           }
974     }
975   }
976   return 0;
977 }
978
979 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
980 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
981 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
982   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
983 }
984
985 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
986 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
987 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
988 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
989                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
990                                                       Loop *L,
991                                                       bool isOnlyStride) {
992   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
993   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
994   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
995   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
996   // have the full access expression to rewrite the use.
997   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
998   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
999   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
1000     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
1001     
1002     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
1003     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
1004     // computed.
1005     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
1006                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
1007     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
1008            "Base value is not loop invariant!");
1009   }
1010
1011   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
1012   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
1013   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
1014   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
1015   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
1016   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
1017   // UsersToProcess base values.
1018   SCEVHandle CommonExprs =
1019     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
1020   
1021   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
1022   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
1023   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
1024   // of the remaining uses.
1025   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1026     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
1027     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
1028     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
1029     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
1030       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
1031                                                UsersToProcess[i].Base);
1032       UsersToProcess[i].Base = 
1033         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
1034     } else {
1035       
1036       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
1037       // the store is through the expression, not of the expression though.
1038       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
1039       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
1040         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
1041           isAddress = true;
1042       
1043       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Inst, UsersToProcess[i].Base,
1044                           UsersToProcess[i].Imm, isAddress, L);
1045     }
1046   }
1047
1048   // Check if it is possible to reuse a IV with stride that is factor of this
1049   // stride. And the multiple is a number that can be encoded in the scale
1050   // field of the target addressing mode.  And we will have a valid
1051   // instruction after this substition, including the immediate field, if any.
1052   PHINode *NewPHI = NULL;
1053   Value   *IncV   = NULL;
1054   IVExpr   ReuseIV;
1055   unsigned RewriteFactor = CheckForIVReuse(Stride, ReuseIV,
1056                                            CommonExprs->getType(),
1057                                            UsersToProcess);
1058   if (RewriteFactor != 0) {
1059     DOUT << "BASED ON IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
1060          << " and BASE " << *ReuseIV.Base << " :\n";
1061     NewPHI = ReuseIV.PHI;
1062     IncV   = ReuseIV.IncV;
1063   }
1064
1065   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1066   
1067   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
1068   //
1069   DOUT << "INSERTING IV of TYPE " << *ReplacedTy << " of STRIDE "
1070        << *Stride << " and BASE " << *CommonExprs << " :\n";
1071
1072   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
1073   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
1074   
1075   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1076   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1077   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
1078   
1079   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1080
1081
1082   // Emit the initial base value into the loop preheader.
1083   Value *CommonBaseV
1084     = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt,
1085                                       ReplacedTy);
1086
1087   if (RewriteFactor == 0) {
1088     // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
1089     NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
1090     ++NumInserted;
1091   
1092     // Add common base to the new Phi node.
1093     NewPHI->addIncoming(CommonBaseV, Preheader);
1094
1095     // Insert the stride into the preheader.
1096     Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Stride, PreInsertPt,
1097                                                      ReplacedTy);
1098     if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
1099
1100     // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
1101     // latch block, and add it to the Phi node.
1102     SCEVHandle IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI),
1103                                          SCEVUnknown::get(StrideV));
1104   
1105     IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator(),
1106                                   ReplacedTy);
1107     IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
1108     NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1109
1110     // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1111     IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, NewPHI, IncV);
1112   } else {
1113     Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1114     if (!C ||
1115         (!C->isNullValue() &&
1116          !isTargetConstant(SCEVUnknown::get(CommonBaseV), ReplacedTy, TLI)))
1117       // We want the common base emitted into the preheader! This is just
1118       // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1119       CommonBaseV = new BitCastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(), 
1120                                     "commonbase", PreInsertPt);
1121   }
1122
1123   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1124   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1125   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1126   // vector (so we handle them first).
1127   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1128                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1129   
1130   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1131   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1132   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1133   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1134   //
1135   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1136   // SCEVHandle's don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1137   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1138   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1139   // ==.
1140   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1141     // Get a base value.
1142     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1143     
1144     // Compact everything with this base to be consequetive with this one.
1145     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1146       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1147         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1148         ++i;
1149       }
1150     }
1151   }
1152
1153   // Process all the users now.  This outer loop handles all bases, the inner
1154   // loop handles all users of a particular base.
1155   while (!UsersToProcess.empty()) {
1156     SCEVHandle Base = UsersToProcess.back().Base;
1157
1158     DOUT << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":\n";
1159    
1160     // Emit the code for Base into the preheader.
1161     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt,
1162                                                    ReplacedTy);
1163     
1164     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
1165     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
1166     // this by forcing a BitCast (noop cast) to be inserted into the preheader 
1167     // in this case.
1168     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV)) {
1169       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base, ReplacedTy, TLI)) {
1170         // We want this constant emitted into the preheader! This is just
1171         // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1172         BaseV = new BitCastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1173                              PreInsertPt);       
1174       }
1175     }
1176
1177     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1178     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1179     do {
1180       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1181       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1182
1183       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1184       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1185       Value *RewriteOp = NewPHI;
1186       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1187         RewriteOp = IncV;
1188
1189         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1190         // loop to ensure it is dominated by the increment.
1191         if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1192           User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
1193       }
1194       if (RewriteOp->getType() != ReplacedTy) {
1195         Instruction::CastOps opcode = Instruction::Trunc;
1196         if (ReplacedTy->getPrimitiveSizeInBits() ==
1197             RewriteOp->getType()->getPrimitiveSizeInBits())
1198           opcode = Instruction::BitCast;
1199         RewriteOp = SCEVExpander::InsertCastOfTo(opcode, RewriteOp, ReplacedTy);
1200       }
1201
1202       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
1203
1204       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1205       // to have the code emitted where we expect it.
1206       Rewriter.clear();
1207
1208       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1209       // factor take advantage of addressing mode scale component.
1210       if (RewriteFactor != 0) {
1211         RewriteExpr =
1212           SCEVMulExpr::get(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(RewriteFactor,
1213                                                        RewriteExpr->getType()),
1214                            RewriteExpr);
1215
1216         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1217         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1218         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1219         if (!isa<ConstantInt>(CommonBaseV) ||
1220             !cast<ConstantInt>(CommonBaseV)->isZero())
1221           RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr,
1222                                          SCEVUnknown::get(CommonBaseV));
1223       }
1224
1225       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1226       // immediate and any loop-variant expressions.
1227       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isZero())
1228         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1229         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
1230
1231       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
1232
1233       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
1234       // if we just replaced the last use of that value.
1235       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
1236
1237       UsersToProcess.pop_back();
1238       ++NumReduced;
1239
1240       // If there are any more users to process with the same base, process them
1241       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1242     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1243     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1244   }
1245
1246   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1247   // different starting values, into different PHIs.
1248 }
1249
1250 /// FindIVForUser - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1251 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1252 /// false.
1253 bool LoopStrengthReduce::FindIVForUser(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
1254                                        const SCEVHandle *&CondStride) {
1255   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e && !CondUse;
1256        ++Stride) {
1257     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1258     IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1259     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1260     
1261     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second.Users.begin(),
1262          E = SI->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
1263       if (UI->User == Cond) {
1264         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1265         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1266         // occurs enough in real life to handle.
1267         CondUse = &*UI;
1268         CondStride = &SI->first;
1269         return true;
1270       }
1271   }
1272   return false;
1273 }    
1274
1275 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
1276 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
1277 // common indvars for the different uses.
1278 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
1279   // TODO: implement optzns here.
1280
1281   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1282   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1283   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1284   // one register value.
1285   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
1286   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1287   BasicBlock *LatchBlock =
1288    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
1289   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
1290   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() || 
1291       !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1292     return;
1293   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1294
1295   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1296   IVStrideUse *CondUse = 0;
1297   const SCEVHandle *CondStride = 0;
1298
1299   if (!FindIVForUser(Cond, CondUse, CondStride))
1300     return; // setcc doesn't use the IV.
1301   
1302
1303   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
1304   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
1305   // the latch block branch, move it.
1306   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
1307     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
1308       Cond->moveBefore(TermBr);
1309     } else {
1310       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
1311       Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
1312       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
1313       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
1314       
1315       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
1316       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
1317                                          CondUse->OperandValToReplace);
1318       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
1319     }
1320   }
1321
1322   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
1323   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
1324   // live ranges for the IV correctly.
1325   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
1326   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
1327 }
1328
1329 namespace {
1330   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1331   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1332   // e.g.
1333   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1334   struct StrideCompare {
1335     bool operator()(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1336       SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1337       SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1338       if (LHSC && RHSC) {
1339         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1340         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1341         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1342         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1343         if (ALV == ARV)
1344           return LV > RV;
1345         else
1346           return ALV < ARV;
1347       }
1348       return (LHSC && !RHSC);
1349     }
1350   };
1351 }
1352
1353 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1354
1355   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1356   EF = &getAnalysis<ETForest>();
1357   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1358   TD = &getAnalysis<TargetData>();
1359   UIntPtrTy = TD->getIntPtrType();
1360
1361   // Find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
1362   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
1363   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
1364   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
1365   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
1366     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
1367
1368   // If we have nothing to do, return.
1369   if (IVUsesByStride.empty()) return false;
1370
1371   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
1372   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
1373   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
1374   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
1375   OptimizeIndvars(L);
1376
1377
1378   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
1379   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
1380
1381   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
1382   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
1383   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
1384   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
1385   // indvars.
1386
1387   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
1388   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
1389
1390 #ifndef NDEBUG
1391   DOUT << "\nLSR on ";
1392   DEBUG(L->dump());
1393 #endif
1394
1395   // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
1396   IVsByStride.clear();
1397
1398   // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
1399   std::stable_sort(StrideOrder.begin(), StrideOrder.end(), StrideCompare());
1400
1401   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
1402   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.  Also,
1403   // node that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using StrideOrder.
1404   // This extra layer of indirection makes the ordering of strides deterministic
1405   // - not dependent on map order.
1406   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e; ++Stride) {
1407     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1408       IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1409     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1410     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
1411   }
1412
1413   // Clean up after ourselves
1414   if (!DeadInsts.empty()) {
1415     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1416
1417     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1418     PHINode *PN;
1419     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
1420       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
1421       
1422       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
1423       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
1424       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
1425       // indvar to be considered dead are:
1426       // 1. the cann indvar has one use
1427       // 2. the use is an add instruction
1428       // 3. the add has one use
1429       // 4. the add is used by the cann indvar
1430       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1431       // the cann indvar.
1432       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1433       // compared against some value to decide loop termination.
1434       if (PN->hasOneUse()) {
1435         Instruction *BO = dyn_cast<Instruction>(*PN->use_begin());
1436         if (BO && (isa<BinaryOperator>(BO) || isa<CmpInst>(BO))) {
1437           if (BO->hasOneUse() && PN == *(BO->use_begin())) {
1438             DeadInsts.insert(BO);
1439             // Break the cycle, then delete the PHI.
1440             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1441             SE->deleteInstructionFromRecords(PN);
1442             PN->eraseFromParent();
1443           }
1444         }
1445       }
1446     }
1447     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1448   }
1449
1450   CastedPointers.clear();
1451   IVUsesByStride.clear();
1452   StrideOrder.clear();
1453   return false;
1454 }