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