82931726bce440ce3f5a958b9d79641d98432696
[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 <algorithm>
35 #include <set>
36 using namespace llvm;
37
38 namespace {
39   Statistic<> NumReduced ("loop-reduce", "Number of GEPs strength reduced");
40   Statistic<> NumInserted("loop-reduce", "Number of PHIs inserted");
41   Statistic<> NumVariable("loop-reduce","Number of PHIs with variable strides");
42
43   /// IVStrideUse - Keep track of one use of a strided induction variable, where
44   /// the stride is stored externally.  The Offset member keeps track of the 
45   /// offset from the IV, User is the actual user of the operand, and 'Operand'
46   /// is the operand # of the User that is the use.
47   struct IVStrideUse {
48     SCEVHandle Offset;
49     Instruction *User;
50     Value *OperandValToReplace;
51
52     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
53     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
54     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
55     // instruction for a loop or uses dominated by the loop.
56     bool isUseOfPostIncrementedValue;
57     
58     IVStrideUse(const SCEVHandle &Offs, Instruction *U, Value *O)
59       : Offset(Offs), User(U), OperandValToReplace(O),
60         isUseOfPostIncrementedValue(false) {}
61   };
62   
63   /// IVUsersOfOneStride - This structure keeps track of all instructions that
64   /// have an operand that is based on the trip count multiplied by some stride.
65   /// The stride for all of these users is common and kept external to this
66   /// structure.
67   struct IVUsersOfOneStride {
68     /// Users - Keep track of all of the users of this stride as well as the
69     /// initial value and the operand that uses the IV.
70     std::vector<IVStrideUse> Users;
71     
72     void addUser(const SCEVHandle &Offset,Instruction *User, Value *Operand) {
73       Users.push_back(IVStrideUse(Offset, User, Operand));
74     }
75   };
76
77
78   class LoopStrengthReduce : public FunctionPass {
79     LoopInfo *LI;
80     DominatorSet *DS;
81     ScalarEvolution *SE;
82     const TargetData *TD;
83     const Type *UIntPtrTy;
84     bool Changed;
85
86     /// MaxTargetAMSize - This is the maximum power-of-two scale value that the
87     /// target can handle for free with its addressing modes.
88     unsigned MaxTargetAMSize;
89
90     /// IVUsesByStride - Keep track of all uses of induction variables that we
91     /// are interested in.  The key of the map is the stride of the access.
92     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride> IVUsesByStride;
93
94     /// CastedValues - As we need to cast values to uintptr_t, this keeps track
95     /// of the casted version of each value.  This is accessed by
96     /// getCastedVersionOf.
97     std::map<Value*, Value*> CastedPointers;
98
99     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
100     /// we can remove them after we are done working.
101     std::set<Instruction*> DeadInsts;
102   public:
103     LoopStrengthReduce(unsigned MTAMS = 1)
104       : MaxTargetAMSize(MTAMS) {
105     }
106
107     virtual bool runOnFunction(Function &) {
108       LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
109       DS = &getAnalysis<DominatorSet>();
110       SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
111       TD = &getAnalysis<TargetData>();
112       UIntPtrTy = TD->getIntPtrType();
113       Changed = false;
114
115       for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
116         runOnLoop(*I);
117       
118       return Changed;
119     }
120
121     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
122       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
123       // many analyses if they are around.
124       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
125       AU.addPreserved<LoopInfo>();
126       AU.addPreserved<DominatorSet>();
127       AU.addPreserved<ImmediateDominators>();
128       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
129       AU.addPreserved<DominatorTree>();
130
131       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
132       AU.addRequired<LoopInfo>();
133       AU.addRequired<DominatorSet>();
134       AU.addRequired<TargetData>();
135       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
136     }
137     
138     /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
139     ///
140     Value *getCastedVersionOf(Value *V);
141 private:
142     void runOnLoop(Loop *L);
143     bool AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
144                                std::set<Instruction*> &Processed);
145     SCEVHandle GetExpressionSCEV(Instruction *E, Loop *L);
146
147     void OptimizeIndvars(Loop *L);
148
149     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
150                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
151                                       Loop *L, bool isOnlyStride);
152     void DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts);
153   };
154   RegisterOpt<LoopStrengthReduce> X("loop-reduce",
155                                     "Loop Strength Reduction");
156 }
157
158 FunctionPass *llvm::createLoopStrengthReducePass(unsigned MaxTargetAMSize) {
159   return new LoopStrengthReduce(MaxTargetAMSize);
160 }
161
162 /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
163 ///
164 Value *LoopStrengthReduce::getCastedVersionOf(Value *V) {
165   if (V->getType() == UIntPtrTy) return V;
166   if (Constant *CB = dyn_cast<Constant>(V))
167     return ConstantExpr::getCast(CB, UIntPtrTy);
168
169   Value *&New = CastedPointers[V];
170   if (New) return New;
171   
172   BasicBlock::iterator InsertPt;
173   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
174     // Insert into the entry of the function, after any allocas.
175     InsertPt = Arg->getParent()->begin()->begin();
176     while (isa<AllocaInst>(InsertPt)) ++InsertPt;
177   } else {
178     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(V)) {
179       InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
180     } else {
181       InsertPt = cast<Instruction>(V);
182       ++InsertPt;
183     }
184
185     // Do not insert casts into the middle of PHI node blocks.
186     while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
187   }
188   
189   New = new CastInst(V, UIntPtrTy, V->getName(), InsertPt);
190   DeadInsts.insert(cast<Instruction>(New));
191   return New;
192 }
193
194
195 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
196 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
197 /// their operands subsequently dead.
198 void LoopStrengthReduce::
199 DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts) {
200   while (!Insts.empty()) {
201     Instruction *I = *Insts.begin();
202     Insts.erase(Insts.begin());
203     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
204       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
205         if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
206           Insts.insert(U);
207       SE->deleteInstructionFromRecords(I);
208       I->eraseFromParent();
209       Changed = true;
210     }
211   }
212 }
213
214
215 /// GetExpressionSCEV - Compute and return the SCEV for the specified
216 /// instruction.
217 SCEVHandle LoopStrengthReduce::GetExpressionSCEV(Instruction *Exp, Loop *L) {
218   // Scalar Evolutions doesn't know how to compute SCEV's for GEP instructions.
219   // If this is a GEP that SE doesn't know about, compute it now and insert it.
220   // If this is not a GEP, or if we have already done this computation, just let
221   // SE figure it out.
222   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Exp);
223   if (!GEP || SE->hasSCEV(GEP))
224     return SE->getSCEV(Exp);
225     
226   // Analyze all of the subscripts of this getelementptr instruction, looking
227   // for uses that are determined by the trip count of L.  First, skip all
228   // operands the are not dependent on the IV.
229
230   // Build up the base expression.  Insert an LLVM cast of the pointer to
231   // uintptr_t first.
232   SCEVHandle GEPVal = SCEVUnknown::get(getCastedVersionOf(GEP->getOperand(0)));
233
234   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
235   
236   for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
237     // If this is a use of a recurrence that we can analyze, and it comes before
238     // Op does in the GEP operand list, we will handle this when we process this
239     // operand.
240     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
241       const StructLayout *SL = TD->getStructLayout(STy);
242       unsigned Idx = cast<ConstantUInt>(GEP->getOperand(i))->getValue();
243       uint64_t Offset = SL->MemberOffsets[Idx];
244       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal,
245                                 SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Offset, UIntPtrTy));
246     } else {
247       Value *OpVal = getCastedVersionOf(GEP->getOperand(i));
248       SCEVHandle Idx = SE->getSCEV(OpVal);
249
250       uint64_t TypeSize = TD->getTypeSize(GTI.getIndexedType());
251       if (TypeSize != 1)
252         Idx = SCEVMulExpr::get(Idx,
253                                SCEVConstant::get(ConstantUInt::get(UIntPtrTy,
254                                                                    TypeSize)));
255       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal, Idx);
256     }
257   }
258
259   SE->setSCEV(GEP, GEPVal);
260   return GEPVal;
261 }
262
263 /// getSCEVStartAndStride - Compute the start and stride of this expression,
264 /// returning false if the expression is not a start/stride pair, or true if it
265 /// is.  The stride must be a loop invariant expression, but the start may be
266 /// a mix of loop invariant and loop variant expressions.
267 static bool getSCEVStartAndStride(const SCEVHandle &SH, Loop *L,
268                                   SCEVHandle &Start, SCEVHandle &Stride) {
269   SCEVHandle TheAddRec = Start;   // Initialize to zero.
270
271   // If the outer level is an AddExpr, the operands are all start values except
272   // for a nested AddRecExpr.
273   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(SH)) {
274     for (unsigned i = 0, e = AE->getNumOperands(); i != e; ++i)
275       if (SCEVAddRecExpr *AddRec =
276              dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(AE->getOperand(i))) {
277         if (AddRec->getLoop() == L)
278           TheAddRec = SCEVAddExpr::get(AddRec, TheAddRec);
279         else
280           return false;  // Nested IV of some sort?
281       } else {
282         Start = SCEVAddExpr::get(Start, AE->getOperand(i));
283       }
284         
285   } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SH)) {
286     TheAddRec = SH;
287   } else {
288     return false;  // not analyzable.
289   }
290   
291   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(TheAddRec);
292   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L) return false;
293   
294   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
295   if (!AddRec->isAffine()) return false;
296
297   Start = SCEVAddExpr::get(Start, AddRec->getOperand(0));
298   
299   if (!isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1)))
300     DEBUG(std::cerr << "[" << L->getHeader()->getName()
301                     << "] Variable stride: " << *AddRec << "\n");
302
303   Stride = AddRec->getOperand(1);
304   // Check that all constant strides are the unsigned type, we don't want to
305   // have two IV's one of signed stride 4 and one of unsigned stride 4 to not be
306   // merged.
307   assert((!isa<SCEVConstant>(Stride) || Stride->getType()->isUnsigned()) &&
308          "Constants should be canonicalized to unsigned!");
309
310   return true;
311 }
312
313 /// AddUsersIfInteresting - Inspect the specified instruction.  If it is a
314 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
315 /// return true.  Otherwise, return false.
316 bool LoopStrengthReduce::AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
317                                             std::set<Instruction*> &Processed) {
318   if (I->getType() == Type::VoidTy) return false;
319   if (!Processed.insert(I).second)
320     return true;    // Instruction already handled.
321   
322   // Get the symbolic expression for this instruction.
323   SCEVHandle ISE = GetExpressionSCEV(I, L);
324   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ISE)) return false;
325   
326   // Get the start and stride for this expression.
327   SCEVHandle Start = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, ISE->getType());
328   SCEVHandle Stride = Start;
329   if (!getSCEVStartAndStride(ISE, L, Start, Stride))
330     return false;  // Non-reducible symbolic expression, bail out.
331   
332   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;++UI){
333     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
334
335     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
336     if (isa<PHINode>(User) && Processed.count(User))
337       continue;
338
339     // If this is an instruction defined in a nested loop, or outside this loop,
340     // don't recurse into it.
341     bool AddUserToIVUsers = false;
342     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
343       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER in other loop: " << *User
344             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
345       AddUserToIVUsers = true;
346     } else if (!AddUsersIfInteresting(User, L, Processed)) {
347       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER: " << *User
348             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
349       AddUserToIVUsers = true;
350     }
351
352     if (AddUserToIVUsers) {
353       // Okay, we found a user that we cannot reduce.  Analyze the instruction
354       // and decide what to do with it.  If we are a use inside of the loop, use
355       // the value before incrementation, otherwise use it after incrementation.
356       if (L->contains(User->getParent()) ||
357           // Alternatively, if we are a use outside of the loop, but is not
358           // dominated by the latch block, we have to use the preincremented
359           // value.
360           !DS->dominates(L->getLoopLatch(), User->getParent())) {
361         IVUsesByStride[Stride].addUser(Start, User, I);
362       } else {
363         // The value used will be incremented by the stride more than we are
364         // expecting, so subtract this off.
365         SCEVHandle NewStart = SCEV::getMinusSCEV(Start, Stride);
366         IVUsesByStride[Stride].addUser(NewStart, User, I);
367         IVUsesByStride[Stride].Users.back().isUseOfPostIncrementedValue = true;
368       }
369     }
370   }
371   return true;
372 }
373
374 namespace {
375   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
376   /// partitioned the expression so far.
377   struct BasedUser {
378     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
379     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
380     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
381     /// field.
382     SCEVHandle Base;
383     
384     /// Inst - The instruction using the induction variable.
385     Instruction *Inst;
386
387     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
388     /// EmittedBase.
389     Value *OperandValToReplace;
390
391     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
392     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
393     /// instruction.
394     SCEVHandle Imm;
395
396     /// EmittedBase - The actual value* to use for the base value of this
397     /// operation.  This is null if we should just use zero so far.
398     Value *EmittedBase;
399
400     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
401     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
402     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
403     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
404     // the loop.
405     bool isUseOfPostIncrementedValue;
406     
407     BasedUser(IVStrideUse &IVSU)
408       : Base(IVSU.Offset), Inst(IVSU.User), 
409         OperandValToReplace(IVSU.OperandValToReplace), 
410         Imm(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Base->getType())), EmittedBase(0),
411         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue) {}
412
413     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
414     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
415     // to it.
416     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
417                                         SCEVExpander &Rewriter, Loop *L,
418                                         Pass *P);
419
420     // Sort by the Base field.
421     bool operator<(const BasedUser &BU) const { return Base < BU.Base; }
422
423     void dump() const;
424   };
425 }
426
427 void BasedUser::dump() const {
428   std::cerr << " Base=" << *Base;
429   std::cerr << " Imm=" << *Imm;
430   if (EmittedBase)
431     std::cerr << "  EB=" << *EmittedBase;
432
433   std::cerr << "   Inst: " << *Inst;
434 }
435
436 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
437 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
438 // to it.
439 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
440                                                SCEVExpander &Rewriter,
441                                                Loop *L, Pass *P) {
442   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
443     SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(NewBase, Imm);
444     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, Inst,
445                                            OperandValToReplace->getType());
446     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
447     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
448     DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
449     return;
450   }
451   
452   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
453   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
454   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
455   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
456   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
457   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
458   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
459   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
460     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
461       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
462       // code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this is the
463       // canonical backedge for this loop, as this can make some inserted code
464       // be in an illegal position.
465       if (e != 1 &&
466           PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
467           (PN->getParent() != L->getHeader() ||
468            !L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))) {
469
470         // First step, split the critical edge.
471         SplitCriticalEdge(PN->getIncomingBlock(i), PN->getParent(), P);
472             
473         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
474         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
475         // move the block to be immediately before the PHI block, not
476         // immediately after PredTI.
477         if (L->contains(PN->getIncomingBlock(i)) &&
478             !L->contains(PN->getParent())) {
479           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
480           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
481         }
482         break;
483       }
484
485       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
486       if (!Code) {
487         // Insert the code into the end of the predecessor block.
488         BasicBlock::iterator InsertPt =PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
489       
490         SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(NewBase, Imm);
491         Code = Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, InsertPt,
492                                       OperandValToReplace->getType());
493       }
494       
495       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
496       PN->setIncomingValue(i, Code);
497       Rewriter.clear();
498     }
499   }
500   DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
501 }
502
503
504 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
505 /// immediate field of a target instruction.
506 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V) {
507
508   // FIXME: Look at the target to decide if &GV is a legal constant immediate.
509   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
510     // PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
511     if ((int64_t)SC->getValue()->getRawValue() > -(1 << 16) &&
512         (int64_t)SC->getValue()->getRawValue() < (1 << 16)-1)
513       return true;
514     return false;
515   }
516
517   return false;     // ENABLE this for x86
518
519   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
520     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
521       if (CE->getOpcode() == Instruction::Cast)
522         if (isa<GlobalValue>(CE->getOperand(0)))
523           // FIXME: should check to see that the dest is uintptr_t!
524           return true;
525   return false;
526 }
527
528 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
529 /// loop varying to the Imm operand.
530 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
531                                             Loop *L) {
532   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
533   
534   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
535     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
536     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
537     
538     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
539       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
540         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
541         // field of the expression.
542         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
543       } else {
544         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
545       }
546
547     if (NewOps.empty())
548       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
549     else
550       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
551   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
552     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
553     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
554     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
555     
556     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
557     Ops[0] = Start;
558     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
559   } else {
560     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
561     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
562     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
563   }
564 }
565
566
567 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
568 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
569 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
570 static void MoveImmediateValues(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
571                                 bool isAddress, Loop *L) {
572   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
573     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
574     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
575     
576     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
577       if (isAddress && isTargetConstant(SAE->getOperand(i))) {
578         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
579       } else if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
580         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
581         // field of the expression.
582         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
583       } else {
584         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
585       }
586
587     if (NewOps.empty())
588       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
589     else
590       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
591     return;
592   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
593     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
594     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
595     MoveImmediateValues(Start, Imm, isAddress, L);
596     
597     if (Start != SARE->getStart()) {
598       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
599       Ops[0] = Start;
600       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
601     }
602     return;
603   }
604
605   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
606   // expression.
607   if ((isAddress && isTargetConstant(Val)) ||
608       !Val->isLoopInvariant(L)) {
609     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
610     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
611     return;
612   }
613
614   // Otherwise, no immediates to move.
615 }
616
617
618 /// IncrementAddExprUses - Decompose the specified expression into its added
619 /// subexpressions, and increment SubExpressionUseCounts for each of these
620 /// decomposed parts.
621 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
622                              SCEVHandle Expr) {
623   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
624     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
625       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
626   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
627     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
628     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
629       SubExprs.push_back(Expr);
630     } else {
631       // Compute the addrec with zero as its base.
632       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
633       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
634       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
635       
636
637       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
638     }
639   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
640              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isNullValue()) {
641     // Do not add zero.
642     SubExprs.push_back(Expr);
643   }
644 }
645
646
647 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
648 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
649 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
650 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
651 static SCEVHandle 
652 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
653   unsigned NumUses = Uses.size();
654
655   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
656   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
657   SCEVHandle Result = Zero;
658   if (NumUses == 1) {
659     std::swap(Result, Uses[0].Base);
660     return Result;
661   }
662
663   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
664   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
665   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
666   
667   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
668   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
669     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
670     // CSEs we can find.
671     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
672
673     // Split the expression into subexprs.
674     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
675     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
676     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
677       SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]]++;
678     SubExprs.clear();
679   }
680
681
682   // Now that we know how many times each is used, build Result.
683   for (std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I =
684        SubExpressionUseCounts.begin(), E = SubExpressionUseCounts.end();
685        I != E; )
686     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
687       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
688       ++I;
689     } else {
690       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
691       SubExpressionUseCounts.erase(I++);
692     }
693   
694   // If we found no CSE's, return now.
695   if (Result == Zero) return Result;
696   
697   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
698   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
699     // Split the expression into subexprs.
700     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
701
702     // Remove any common subexpressions.
703     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
704       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
705         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
706         --j; --e;
707       }
708     
709     // Finally, the non-shared expressions together.
710     if (SubExprs.empty())
711       Uses[i].Base = Zero;
712     else
713       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
714     SubExprs.clear();
715   }
716  
717   return Result;
718 }
719
720
721 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
722 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
723 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
724 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
725                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
726                                                       Loop *L,
727                                                       bool isOnlyStride) {
728   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
729   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
730   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
731   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
732   // have the full access expression to rewrite the use.
733   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
734   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
735   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
736     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
737     
738     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
739     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
740     // computed.
741     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
742                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
743     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
744            "Base value is not loop invariant!");
745   }
746   
747   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
748   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
749   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
750   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
751   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
752   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
753   // UsersToProcess base values.
754   SCEVHandle CommonExprs = RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
755   
756   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
757   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
758   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
759   // of the remaining uses.
760   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
761     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
762     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
763     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
764     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
765       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
766                                                UsersToProcess[i].Base);
767       UsersToProcess[i].Base = 
768         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
769     } else {
770       
771       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
772       // the store is through the expression, not of the expression though.
773       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
774       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
775         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
776           isAddress = true;
777       
778       MoveImmediateValues(UsersToProcess[i].Base, UsersToProcess[i].Imm,
779                           isAddress, L);
780     }
781   }
782  
783   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
784   //
785   DEBUG(std::cerr << "INSERTING IV of STRIDE " << *Stride << " and BASE "
786         << *CommonExprs << " :\n");
787     
788   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
789   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
790   
791   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
792   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
793   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
794   
795   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
796   
797   // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
798   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
799   PHINode *NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
800   ++NumInserted;
801   
802   // Insert the stride into the preheader.
803   Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Stride, PreInsertPt,
804                                                    ReplacedTy);
805   if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
806
807
808   // Emit the initial base value into the loop preheader, and add it to the
809   // Phi node.
810   Value *PHIBaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt,
811                                                     ReplacedTy);
812   NewPHI->addIncoming(PHIBaseV, Preheader);
813   
814   // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
815   // latch block, and add it to the Phi node.
816   SCEVHandle IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI),
817                                        SCEVUnknown::get(StrideV));
818   
819   Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator(),
820                                        ReplacedTy);
821   IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
822   NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
823
824   // Sort by the base value, so that all IVs with identical bases are next to
825   // each other.
826   std::sort(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end());
827   while (!UsersToProcess.empty()) {
828     SCEVHandle Base = UsersToProcess.front().Base;
829
830     DEBUG(std::cerr << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":\n");
831    
832     // Emit the code for Base into the preheader.
833     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt,
834                                                    ReplacedTy);
835     
836     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
837     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
838     // this by forcing a noop cast to be inserted into the preheader in this
839     // case.
840     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV))
841       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base)) {
842         // We want this constant emitted into the preheader!
843         BaseV = new CastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
844                              PreInsertPt);       
845       }
846     
847     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
848     // the instructions that we identified as using this stride and base.
849     while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.front().Base == Base) {
850       BasedUser &User = UsersToProcess.front();
851
852       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
853       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
854       Value *RewriteOp = NewPHI;
855       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
856         RewriteOp = IncV;
857
858         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
859         // loop to ensure it is dominated by the increment.
860         if (L->contains(User.Inst->getParent()))
861           User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
862       }
863       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
864
865       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
866       // to have the code emitted where we expect it.
867       Rewriter.clear();
868      
869       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
870       // immediate and any loop-variant expressions.
871       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isNullValue())
872         // Add BaseV to the PHI value if needed.
873         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
874       
875       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
876
877       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
878       // if we just replaced the last use of that value.
879       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
880
881       UsersToProcess.erase(UsersToProcess.begin());
882       ++NumReduced;
883     }
884     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
885   }
886
887   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
888   // different starting values, into different PHIs.
889 }
890
891 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
892 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
893 // common indvars for the different uses.
894 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
895   // TODO: implement optzns here.
896
897
898
899
900   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
901   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
902   // induction variable, to allow coallescing the live ranges for the IV into
903   // one register value.
904   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
905   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
906   BasicBlock *LatchBlock =
907    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
908   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
909   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() ||
910       !isa<SetCondInst>(TermBr->getCondition()))
911     return;
912   SetCondInst *Cond = cast<SetCondInst>(TermBr->getCondition());
913
914   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
915   IVStrideUse *CondUse = 0;
916   const SCEVHandle *CondStride = 0;
917
918   for (std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator 
919          I = IVUsesByStride.begin(), E = IVUsesByStride.end();
920        I != E && !CondUse; ++I)
921     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = I->second.Users.begin(),
922            E = I->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
923       if (UI->User == Cond) {
924         CondUse = &*UI;
925         CondStride = &I->first;
926         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
927         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
928         // occurs enough in real life to handle.
929         break;
930       }
931   if (!CondUse) return;  // setcc doesn't use the IV.
932
933   // setcc stride is complex, don't mess with users.
934   // FIXME: Evaluate whether this is a good idea or not.
935   if (!isa<SCEVConstant>(*CondStride)) return;
936
937   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
938   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
939   // the latch block branch, move it.
940   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
941     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
942       Cond->moveBefore(TermBr);
943     } else {
944       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
945       Cond = cast<SetCondInst>(Cond->clone());
946       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
947       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
948       
949       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
950       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
951                                          CondUse->OperandValToReplace);
952       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
953     }
954   }
955
956   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
957   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coallesce the
958   // live ranges for the IV correctly.
959   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
960   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
961 }
962
963 void LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L) {
964   // First step, transform all loops nesting inside of this loop.
965   for (LoopInfo::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
966     runOnLoop(*I);
967
968   // Next, find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
969   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
970   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
971   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
972   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
973     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
974
975   // If we have nothing to do, return.
976   if (IVUsesByStride.empty()) return;
977
978   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
979   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
980   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
981   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
982   OptimizeIndvars(L);
983
984
985   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
986   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
987
988   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
989   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
990   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
991   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
992   // indvars.
993
994   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
995   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
996
997   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
998   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.
999   for (std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI
1000         = IVUsesByStride.begin(), E = IVUsesByStride.end(); SI != E; ++SI)
1001     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
1002
1003   // Clean up after ourselves
1004   if (!DeadInsts.empty()) {
1005     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1006
1007     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1008     PHINode *PN;
1009     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
1010       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
1011       
1012       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
1013       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
1014       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
1015       // indvar to be considered dead are:
1016       // 1. the cann indvar has one use
1017       // 2. the use is an add instruction
1018       // 3. the add has one use
1019       // 4. the add is used by the cann indvar
1020       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1021       // the cann indvar.
1022       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1023       // compared against some value to decide loop termination.
1024       if (PN->hasOneUse()) {
1025         BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(*(PN->use_begin()));
1026         if (BO && BO->hasOneUse()) {
1027           if (PN == *(BO->use_begin())) {
1028             DeadInsts.insert(BO);
1029             // Break the cycle, then delete the PHI.
1030             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1031             SE->deleteInstructionFromRecords(PN);
1032             PN->eraseFromParent();
1033           }
1034         }
1035       }
1036     }
1037     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1038   }
1039
1040   CastedPointers.clear();
1041   IVUsesByStride.clear();
1042   return;
1043 }