Use DominatorTree instead of ETForest.
[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/IntrinsicInst.h"
23 #include "llvm/Type.h"
24 #include "llvm/DerivedTypes.h"
25 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
26 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
27 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
28 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
29 #include "llvm/Support/CFG.h"
30 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
32 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
33 #include "llvm/Target/TargetData.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/Support/Debug.h"
36 #include "llvm/Support/Compiler.h"
37 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
38 #include <algorithm>
39 #include <set>
40 using namespace llvm;
41
42 STATISTIC(NumReduced , "Number of GEPs strength reduced");
43 STATISTIC(NumInserted, "Number of PHIs inserted");
44 STATISTIC(NumVariable, "Number of PHIs with variable strides");
45
46 namespace {
47
48   struct BasedUser;
49
50   /// IVStrideUse - Keep track of one use of a strided induction variable, where
51   /// the stride is stored externally.  The Offset member keeps track of the 
52   /// offset from the IV, User is the actual user of the operand, and 'Operand'
53   /// is the operand # of the User that is the use.
54   struct VISIBILITY_HIDDEN IVStrideUse {
55     SCEVHandle Offset;
56     Instruction *User;
57     Value *OperandValToReplace;
58
59     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
60     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
61     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
62     // instruction for a loop or uses dominated by the loop.
63     bool isUseOfPostIncrementedValue;
64     
65     IVStrideUse(const SCEVHandle &Offs, Instruction *U, Value *O)
66       : Offset(Offs), User(U), OperandValToReplace(O),
67         isUseOfPostIncrementedValue(false) {}
68   };
69   
70   /// IVUsersOfOneStride - This structure keeps track of all instructions that
71   /// have an operand that is based on the trip count multiplied by some stride.
72   /// The stride for all of these users is common and kept external to this
73   /// structure.
74   struct VISIBILITY_HIDDEN IVUsersOfOneStride {
75     /// Users - Keep track of all of the users of this stride as well as the
76     /// initial value and the operand that uses the IV.
77     std::vector<IVStrideUse> Users;
78     
79     void addUser(const SCEVHandle &Offset,Instruction *User, Value *Operand) {
80       Users.push_back(IVStrideUse(Offset, User, Operand));
81     }
82   };
83
84   /// IVInfo - This structure keeps track of one IV expression inserted during
85   /// StrengthReduceStridedIVUsers. It contains the stride, the common base, as
86   /// well as the PHI node and increment value created for rewrite.
87   struct VISIBILITY_HIDDEN IVExpr {
88     SCEVHandle  Stride;
89     SCEVHandle  Base;
90     PHINode    *PHI;
91     Value      *IncV;
92
93     IVExpr()
94       : Stride(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)),
95         Base  (SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)) {}
96     IVExpr(const SCEVHandle &stride, const SCEVHandle &base, PHINode *phi,
97            Value *incv)
98       : Stride(stride), Base(base), PHI(phi), IncV(incv) {}
99   };
100
101   /// IVsOfOneStride - This structure keeps track of all IV expression inserted
102   /// during StrengthReduceStridedIVUsers for a particular stride of the IV.
103   struct VISIBILITY_HIDDEN IVsOfOneStride {
104     std::vector<IVExpr> IVs;
105
106     void addIV(const SCEVHandle &Stride, const SCEVHandle &Base, PHINode *PHI,
107                Value *IncV) {
108       IVs.push_back(IVExpr(Stride, Base, PHI, IncV));
109     }
110   };
111
112   class VISIBILITY_HIDDEN LoopStrengthReduce : public LoopPass {
113     LoopInfo *LI;
114     DominatorTree *DT;
115     ScalarEvolution *SE;
116     const TargetData *TD;
117     const Type *UIntPtrTy;
118     bool Changed;
119
120     /// IVUsesByStride - Keep track of all uses of induction variables that we
121     /// are interested in.  The key of the map is the stride of the access.
122     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride> IVUsesByStride;
123
124     /// IVsByStride - Keep track of all IVs that have been inserted for a
125     /// particular stride.
126     std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride> IVsByStride;
127
128     /// StrideOrder - An ordering of the keys in IVUsesByStride that is stable:
129     /// We use this to iterate over the IVUsesByStride collection without being
130     /// dependent on random ordering of pointers in the process.
131     std::vector<SCEVHandle> StrideOrder;
132
133     /// CastedValues - As we need to cast values to uintptr_t, this keeps track
134     /// of the casted version of each value.  This is accessed by
135     /// getCastedVersionOf.
136     std::map<Value*, Value*> CastedPointers;
137
138     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
139     /// we can remove them after we are done working.
140     std::set<Instruction*> DeadInsts;
141
142     /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
143     /// transformation profitability.
144     const TargetLowering *TLI;
145
146   public:
147     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
148     LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = NULL) : 
149       LoopPass((intptr_t)&ID), TLI(tli) {
150     }
151
152     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
153
154     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
155       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
156       // many analyses if they are around.
157       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
158       AU.addPreserved<LoopInfo>();
159       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
160       AU.addPreserved<DominatorTree>();
161
162       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
163       AU.addRequired<LoopInfo>();
164       AU.addRequired<DominatorTree>();
165       AU.addRequired<TargetData>();
166       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
167     }
168     
169     /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
170     ///
171     Value *getCastedVersionOf(Instruction::CastOps opcode, Value *V);
172 private:
173     bool AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
174                                std::set<Instruction*> &Processed);
175     SCEVHandle GetExpressionSCEV(Instruction *E, Loop *L);
176
177     void OptimizeIndvars(Loop *L);
178     bool FindIVForUser(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
179                        const SCEVHandle *&CondStride);
180
181     unsigned CheckForIVReuse(const SCEVHandle&, IVExpr&, const Type*,
182                              const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
183
184     bool ValidStride(int64_t, const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
185
186     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
187                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
188                                       Loop *L, bool isOnlyStride);
189     void DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts);
190   };
191   char LoopStrengthReduce::ID = 0;
192   RegisterPass<LoopStrengthReduce> X("loop-reduce", "Loop Strength Reduction");
193 }
194
195 LoopPass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
196   return new LoopStrengthReduce(TLI);
197 }
198
199 /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t. This
200 /// assumes that the Value* V is of integer or pointer type only.
201 ///
202 Value *LoopStrengthReduce::getCastedVersionOf(Instruction::CastOps opcode, 
203                                               Value *V) {
204   if (V->getType() == UIntPtrTy) return V;
205   if (Constant *CB = dyn_cast<Constant>(V))
206     return ConstantExpr::getCast(opcode, CB, UIntPtrTy);
207
208   Value *&New = CastedPointers[V];
209   if (New) return New;
210   
211   New = SCEVExpander::InsertCastOfTo(opcode, V, UIntPtrTy);
212   DeadInsts.insert(cast<Instruction>(New));
213   return New;
214 }
215
216
217 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
218 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
219 /// their operands subsequently dead.
220 void LoopStrengthReduce::
221 DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts) {
222   while (!Insts.empty()) {
223     Instruction *I = *Insts.begin();
224     Insts.erase(Insts.begin());
225     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
226       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
227         if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
228           Insts.insert(U);
229       SE->deleteInstructionFromRecords(I);
230       I->eraseFromParent();
231       Changed = true;
232     }
233   }
234 }
235
236
237 /// GetExpressionSCEV - Compute and return the SCEV for the specified
238 /// instruction.
239 SCEVHandle LoopStrengthReduce::GetExpressionSCEV(Instruction *Exp, Loop *L) {
240   // Pointer to pointer bitcast instructions return the same value as their
241   // operand.
242   if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Exp)) {
243     if (SE->hasSCEV(BCI) || !isa<Instruction>(BCI->getOperand(0)))
244       return SE->getSCEV(BCI);
245     SCEVHandle R = GetExpressionSCEV(cast<Instruction>(BCI->getOperand(0)), L);
246     SE->setSCEV(BCI, R);
247     return R;
248   }
249
250   // Scalar Evolutions doesn't know how to compute SCEV's for GEP instructions.
251   // If this is a GEP that SE doesn't know about, compute it now and insert it.
252   // If this is not a GEP, or if we have already done this computation, just let
253   // SE figure it out.
254   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Exp);
255   if (!GEP || SE->hasSCEV(GEP))
256     return SE->getSCEV(Exp);
257     
258   // Analyze all of the subscripts of this getelementptr instruction, looking
259   // for uses that are determined by the trip count of L.  First, skip all
260   // operands the are not dependent on the IV.
261
262   // Build up the base expression.  Insert an LLVM cast of the pointer to
263   // uintptr_t first.
264   SCEVHandle GEPVal = SCEVUnknown::get(
265       getCastedVersionOf(Instruction::PtrToInt, GEP->getOperand(0)));
266
267   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
268   
269   for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
270     // If this is a use of a recurrence that we can analyze, and it comes before
271     // Op does in the GEP operand list, we will handle this when we process this
272     // operand.
273     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
274       const StructLayout *SL = TD->getStructLayout(STy);
275       unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))->getZExtValue();
276       uint64_t Offset = SL->getElementOffset(Idx);
277       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal,
278                                 SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Offset, UIntPtrTy));
279     } else {
280       unsigned GEPOpiBits = 
281         GEP->getOperand(i)->getType()->getPrimitiveSizeInBits();
282       unsigned IntPtrBits = UIntPtrTy->getPrimitiveSizeInBits();
283       Instruction::CastOps opcode = (GEPOpiBits < IntPtrBits ? 
284           Instruction::SExt : (GEPOpiBits > IntPtrBits ? Instruction::Trunc :
285             Instruction::BitCast));
286       Value *OpVal = getCastedVersionOf(opcode, GEP->getOperand(i));
287       SCEVHandle Idx = SE->getSCEV(OpVal);
288
289       uint64_t TypeSize = TD->getTypeSize(GTI.getIndexedType());
290       if (TypeSize != 1)
291         Idx = SCEVMulExpr::get(Idx,
292                                SCEVConstant::get(ConstantInt::get(UIntPtrTy,
293                                                                    TypeSize)));
294       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal, Idx);
295     }
296   }
297
298   SE->setSCEV(GEP, GEPVal);
299   return GEPVal;
300 }
301
302 /// getSCEVStartAndStride - Compute the start and stride of this expression,
303 /// returning false if the expression is not a start/stride pair, or true if it
304 /// is.  The stride must be a loop invariant expression, but the start may be
305 /// a mix of loop invariant and loop variant expressions.
306 static bool getSCEVStartAndStride(const SCEVHandle &SH, Loop *L,
307                                   SCEVHandle &Start, SCEVHandle &Stride) {
308   SCEVHandle TheAddRec = Start;   // Initialize to zero.
309
310   // If the outer level is an AddExpr, the operands are all start values except
311   // for a nested AddRecExpr.
312   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(SH)) {
313     for (unsigned i = 0, e = AE->getNumOperands(); i != e; ++i)
314       if (SCEVAddRecExpr *AddRec =
315              dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(AE->getOperand(i))) {
316         if (AddRec->getLoop() == L)
317           TheAddRec = SCEVAddExpr::get(AddRec, TheAddRec);
318         else
319           return false;  // Nested IV of some sort?
320       } else {
321         Start = SCEVAddExpr::get(Start, AE->getOperand(i));
322       }
323         
324   } else if (isa<SCEVAddRecExpr>(SH)) {
325     TheAddRec = SH;
326   } else {
327     return false;  // not analyzable.
328   }
329   
330   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(TheAddRec);
331   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L) return false;
332   
333   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
334   if (!AddRec->isAffine()) return false;
335
336   Start = SCEVAddExpr::get(Start, AddRec->getOperand(0));
337   
338   if (!isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1)))
339     DOUT << "[" << L->getHeader()->getName()
340          << "] Variable stride: " << *AddRec << "\n";
341
342   Stride = AddRec->getOperand(1);
343   return true;
344 }
345
346 /// IVUseShouldUsePostIncValue - We have discovered a "User" of an IV expression
347 /// and now we need to decide whether the user should use the preinc or post-inc
348 /// value.  If this user should use the post-inc version of the IV, return true.
349 ///
350 /// Choosing wrong here can break dominance properties (if we choose to use the
351 /// post-inc value when we cannot) or it can end up adding extra live-ranges to
352 /// the loop, resulting in reg-reg copies (if we use the pre-inc value when we
353 /// should use the post-inc value).
354 static bool IVUseShouldUsePostIncValue(Instruction *User, Instruction *IV,
355                                        Loop *L, DominatorTree *DT, Pass *P) {
356   // If the user is in the loop, use the preinc value.
357   if (L->contains(User->getParent())) return false;
358   
359   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
360   
361   // Ok, the user is outside of the loop.  If it is dominated by the latch
362   // block, use the post-inc value.
363   if (DT->dominates(LatchBlock, User->getParent()))
364     return true;
365
366   // There is one case we have to be careful of: PHI nodes.  These little guys
367   // can live in blocks that do not dominate the latch block, but (since their
368   // uses occur in the predecessor block, not the block the PHI lives in) should
369   // still use the post-inc value.  Check for this case now.
370   PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User);
371   if (!PN) return false;  // not a phi, not dominated by latch block.
372   
373   // Look at all of the uses of IV by the PHI node.  If any use corresponds to
374   // a block that is not dominated by the latch block, give up and use the
375   // preincremented value.
376   unsigned NumUses = 0;
377   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
378     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
379       ++NumUses;
380       if (!DT->dominates(LatchBlock, PN->getIncomingBlock(i)))
381         return false;
382     }
383
384   // Okay, all uses of IV by PN are in predecessor blocks that really are
385   // dominated by the latch block.  Split the critical edges and use the
386   // post-incremented value.
387   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
388     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
389       SplitCriticalEdge(PN->getIncomingBlock(i), PN->getParent(), P,
390                         true);
391       // Splitting the critical edge can reduce the number of entries in this
392       // PHI.
393       e = PN->getNumIncomingValues();
394       if (--NumUses == 0) break;
395     }
396   
397   return true;
398 }
399
400   
401
402 /// AddUsersIfInteresting - Inspect the specified instruction.  If it is a
403 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
404 /// return true.  Otherwise, return false.
405 bool LoopStrengthReduce::AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
406                                             std::set<Instruction*> &Processed) {
407   if (!I->getType()->isInteger() && !isa<PointerType>(I->getType()))
408       return false;   // Void and FP expressions cannot be reduced.
409   if (!Processed.insert(I).second)
410     return true;    // Instruction already handled.
411   
412   // Get the symbolic expression for this instruction.
413   SCEVHandle ISE = GetExpressionSCEV(I, L);
414   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ISE)) return false;
415   
416   // Get the start and stride for this expression.
417   SCEVHandle Start = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, ISE->getType());
418   SCEVHandle Stride = Start;
419   if (!getSCEVStartAndStride(ISE, L, Start, Stride))
420     return false;  // Non-reducible symbolic expression, bail out.
421
422   std::vector<Instruction *> IUsers;
423   // Collect all I uses now because IVUseShouldUsePostIncValue may 
424   // invalidate use_iterator.
425   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E; ++UI)
426     IUsers.push_back(cast<Instruction>(*UI));
427
428   for (unsigned iused_index = 0, iused_size = IUsers.size(); 
429        iused_index != iused_size; ++iused_index) {
430
431     Instruction *User = IUsers[iused_index];
432
433     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
434     if (isa<PHINode>(User) && Processed.count(User))
435       continue;
436
437     // If this is an instruction defined in a nested loop, or outside this loop,
438     // don't recurse into it.
439     bool AddUserToIVUsers = false;
440     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
441       DOUT << "FOUND USER in other loop: " << *User
442            << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n";
443       AddUserToIVUsers = true;
444     } else if (!AddUsersIfInteresting(User, L, Processed)) {
445       DOUT << "FOUND USER: " << *User
446            << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n";
447       AddUserToIVUsers = true;
448     }
449
450     if (AddUserToIVUsers) {
451       IVUsersOfOneStride &StrideUses = IVUsesByStride[Stride];
452       if (StrideUses.Users.empty())     // First occurance of this stride?
453         StrideOrder.push_back(Stride);
454       
455       // Okay, we found a user that we cannot reduce.  Analyze the instruction
456       // and decide what to do with it.  If we are a use inside of the loop, use
457       // the value before incrementation, otherwise use it after incrementation.
458       if (IVUseShouldUsePostIncValue(User, I, L, DT, this)) {
459         // The value used will be incremented by the stride more than we are
460         // expecting, so subtract this off.
461         SCEVHandle NewStart = SCEV::getMinusSCEV(Start, Stride);
462         StrideUses.addUser(NewStart, User, I);
463         StrideUses.Users.back().isUseOfPostIncrementedValue = true;
464         DOUT << "   USING POSTINC SCEV, START=" << *NewStart<< "\n";
465       } else {        
466         StrideUses.addUser(Start, User, I);
467       }
468     }
469   }
470   return true;
471 }
472
473 namespace {
474   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
475   /// partitioned the expression so far.
476   struct BasedUser {
477     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
478     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
479     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
480     /// field.
481     SCEVHandle Base;
482     
483     /// Inst - The instruction using the induction variable.
484     Instruction *Inst;
485
486     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
487     /// EmittedBase.
488     Value *OperandValToReplace;
489
490     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
491     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
492     /// instruction.
493     SCEVHandle Imm;
494
495     /// EmittedBase - The actual value* to use for the base value of this
496     /// operation.  This is null if we should just use zero so far.
497     Value *EmittedBase;
498
499     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
500     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
501     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
502     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
503     // the loop.
504     bool isUseOfPostIncrementedValue;
505     
506     BasedUser(IVStrideUse &IVSU)
507       : Base(IVSU.Offset), Inst(IVSU.User), 
508         OperandValToReplace(IVSU.OperandValToReplace), 
509         Imm(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Base->getType())), EmittedBase(0),
510         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue) {}
511
512     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
513     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
514     // to it.
515     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
516                                         SCEVExpander &Rewriter, Loop *L,
517                                         Pass *P);
518     
519     Value *InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
520                                        SCEVExpander &Rewriter,
521                                        Instruction *IP, Loop *L);
522     void dump() const;
523   };
524 }
525
526 void BasedUser::dump() const {
527   cerr << " Base=" << *Base;
528   cerr << " Imm=" << *Imm;
529   if (EmittedBase)
530     cerr << "  EB=" << *EmittedBase;
531
532   cerr << "   Inst: " << *Inst;
533 }
534
535 Value *BasedUser::InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
536                                               SCEVExpander &Rewriter,
537                                               Instruction *IP, Loop *L) {
538   // Figure out where we *really* want to insert this code.  In particular, if
539   // the user is inside of a loop that is nested inside of L, we really don't
540   // want to insert this expression before the user, we'd rather pull it out as
541   // many loops as possible.
542   LoopInfo &LI = Rewriter.getLoopInfo();
543   Instruction *BaseInsertPt = IP;
544   
545   // Figure out the most-nested loop that IP is in.
546   Loop *InsertLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
547   
548   // If InsertLoop is not L, and InsertLoop is nested inside of L, figure out
549   // the preheader of the outer-most loop where NewBase is not loop invariant.
550   while (InsertLoop && NewBase->isLoopInvariant(InsertLoop)) {
551     BaseInsertPt = InsertLoop->getLoopPreheader()->getTerminator();
552     InsertLoop = InsertLoop->getParentLoop();
553   }
554   
555   // If there is no immediate value, skip the next part.
556   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Imm))
557     if (SC->getValue()->isZero())
558       return Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt,
559                                     OperandValToReplace->getType());
560
561   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt);
562
563   // If we are inserting the base and imm values in the same block, make sure to
564   // adjust the IP position if insertion reused a result.
565   if (IP == BaseInsertPt)
566     IP = Rewriter.getInsertionPoint();
567   
568   // Always emit the immediate (if non-zero) into the same block as the user.
569   SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(Base), Imm);
570   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, IP,
571                                 OperandValToReplace->getType());
572   
573 }
574
575
576 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
577 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
578 // to it.
579 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
580                                                SCEVExpander &Rewriter,
581                                                Loop *L, Pass *P) {
582   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
583     // By default, insert code at the user instruction.
584     BasicBlock::iterator InsertPt = Inst;
585     
586     // However, if the Operand is itself an instruction, the (potentially
587     // complex) inserted code may be shared by many users.  Because of this, we
588     // want to emit code for the computation of the operand right before its old
589     // computation.  This is usually safe, because we obviously used to use the
590     // computation when it was computed in its current block.  However, in some
591     // cases (e.g. use of a post-incremented induction variable) the NewBase
592     // value will be pinned to live somewhere after the original computation.
593     // In this case, we have to back off.
594     if (!isUseOfPostIncrementedValue) {
595       if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace)) { 
596         InsertPt = OpInst;
597         while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
598       }
599     }
600     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
601     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
602     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
603     DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm;
604     DOUT << "  \tNEWBASE =" << *NewBase;
605     DOUT << "  \tInst = " << *Inst;
606     return;
607   }
608   
609   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
610   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
611   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
612   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
613   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
614   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
615   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
616   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
617     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
618       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
619       // code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this is the
620       // canonical backedge for this loop, as this can make some inserted code
621       // be in an illegal position.
622       BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
623       if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
624           (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
625         
626         // First step, split the critical edge.
627         SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P, true);
628             
629         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
630         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
631         // move the block to be immediately before the PHI block, not
632         // immediately after PredTI.
633         if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
634           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
635           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
636         }
637         
638         // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
639         e = PN->getNumIncomingValues();
640       }
641
642       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
643       if (!Code) {
644         // Insert the code into the end of the predecessor block.
645         Instruction *InsertPt = PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
646         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
647       }
648       
649       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
650       PN->setIncomingValue(i, Code);
651       Rewriter.clear();
652     }
653   }
654   DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst;
655 }
656
657
658 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
659 /// immediate field of a target instruction.
660 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V, const Type *UseTy,
661                              const TargetLowering *TLI) {
662   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
663     int64_t VC = SC->getValue()->getSExtValue();
664     if (TLI) {
665       TargetLowering::AddrMode AM;
666       AM.BaseOffs = VC;
667       return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
668     } else {
669       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
670       return (VC > -(1 << 16) && VC < (1 << 16)-1);
671     }
672   }
673
674   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
675     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
676       if (TLI && CE->getOpcode() == Instruction::PtrToInt) {
677         Constant *Op0 = CE->getOperand(0);
678         if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(Op0)) {
679           TargetLowering::AddrMode AM;
680           AM.BaseGV = GV;
681           return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
682         }
683       }
684   return false;
685 }
686
687 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
688 /// loop varying to the Imm operand.
689 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
690                                             Loop *L) {
691   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
692   
693   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
694     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
695     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
696     
697     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
698       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
699         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
700         // field of the expression.
701         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
702       } else {
703         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
704       }
705
706     if (NewOps.empty())
707       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
708     else
709       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
710   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
711     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
712     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
713     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
714     
715     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
716     Ops[0] = Start;
717     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
718   } else {
719     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
720     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
721     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
722   }
723 }
724
725
726 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
727 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
728 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
729 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
730                                 Instruction *User,
731                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
732                                 bool isAddress, Loop *L) {
733   const Type *UseTy = User->getType();
734   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User))
735     UseTy = SI->getOperand(0)->getType();
736
737   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
738     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
739     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
740     
741     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
742       SCEVHandle NewOp = SAE->getOperand(i);
743       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, Imm, isAddress, L);
744       
745       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
746         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
747         // field of the expression.
748         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, NewOp);
749       } else {
750         NewOps.push_back(NewOp);
751       }
752     }
753
754     if (NewOps.empty())
755       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
756     else
757       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
758     return;
759   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
760     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
761     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
762     MoveImmediateValues(TLI, User, Start, Imm, isAddress, L);
763     
764     if (Start != SARE->getStart()) {
765       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
766       Ops[0] = Start;
767       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
768     }
769     return;
770   } else if (SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
771     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
772     if (isAddress && isTargetConstant(SME->getOperand(0), UseTy, TLI) &&
773         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
774
775       SCEVHandle SubImm = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
776       SCEVHandle NewOp = SME->getOperand(1);
777       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, SubImm, isAddress, L);
778       
779       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
780       // simplify this!
781       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
782         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
783         // good.
784         SubImm = SCEVMulExpr::get(SubImm, SME->getOperand(0));
785         if (isTargetConstant(SubImm, UseTy, TLI)) {
786           // Accumulate the immediate.
787           Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SubImm);
788           
789           // Update what is left of 'Val'.
790           Val = SCEVMulExpr::get(SME->getOperand(0), NewOp);
791           return;
792         }
793       }
794     }
795   }
796
797   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
798   // expression.
799   if ((isAddress && isTargetConstant(Val, UseTy, TLI)) ||
800       !Val->isLoopInvariant(L)) {
801     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
802     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
803     return;
804   }
805
806   // Otherwise, no immediates to move.
807 }
808
809
810 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
811 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
812 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
813 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
814                              SCEVHandle Expr) {
815   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
816     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
817       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
818   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
819     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
820     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
821       SubExprs.push_back(Expr);
822     } else {
823       // Compute the addrec with zero as its base.
824       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
825       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
826       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
827       
828
829       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
830     }
831   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
832              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isZero()) {
833     // Do not add zero.
834     SubExprs.push_back(Expr);
835   }
836 }
837
838
839 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
840 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
841 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
842 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
843 static SCEVHandle 
844 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
845   unsigned NumUses = Uses.size();
846
847   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
848   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
849   SCEVHandle Result = Zero;
850   if (NumUses == 1) {
851     std::swap(Result, Uses[0].Base);
852     return Result;
853   }
854
855   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
856   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
857   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
858   
859   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
860   // order we see them.
861   std::vector<SCEVHandle> UniqueSubExprs;
862
863   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
864   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
865     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
866     // CSEs we can find.
867     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
868
869     // Split the expression into subexprs.
870     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
871     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
872     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
873       if (++SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]] == 1)
874         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
875     SubExprs.clear();
876   }
877
878   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
879   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
880   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
881     std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I = 
882        SubExpressionUseCounts.find(UniqueSubExprs[i]);
883     assert(I != SubExpressionUseCounts.end() && "Entry not found?");
884     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
885       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
886     } else {
887       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
888       SubExpressionUseCounts.erase(I);
889     }
890   }
891   
892   // If we found no CSE's, return now.
893   if (Result == Zero) return Result;
894   
895   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
896   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
897     // Split the expression into subexprs.
898     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
899
900     // Remove any common subexpressions.
901     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
902       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
903         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
904         --j; --e;
905       }
906     
907     // Finally, the non-shared expressions together.
908     if (SubExprs.empty())
909       Uses[i].Base = Zero;
910     else
911       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
912     SubExprs.clear();
913   }
914  
915   return Result;
916 }
917
918 /// isZero - returns true if the scalar evolution expression is zero.
919 ///
920 static bool isZero(SCEVHandle &V) {
921   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
922     return SC->getValue()->isZero();
923   return false;
924 }
925
926 /// ValidStride - Check whether the given Scale is valid for all loads and 
927 /// stores in UsersToProcess.
928 ///
929 bool LoopStrengthReduce::ValidStride(int64_t Scale, 
930                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
931   for (unsigned i=0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
932     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
933     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
934     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
935       AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
936     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst))
937       AccessTy = LI->getType();
938     
939     TargetLowering::AddrMode AM;
940     if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
941       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
942     AM.Scale = Scale;
943
944     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
945     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
946       return false;
947   }
948   return true;
949 }
950
951 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
952 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
953 /// mode scale component. This allows the users of this stride to be rewritten
954 /// as prev iv * factor. It returns 0 if no reuse is possible.
955 unsigned LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(const SCEVHandle &Stride, 
956                                 IVExpr &IV, const Type *Ty,
957                                 const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
958   if (!TLI) return 0;
959
960   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
961     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
962     if (SInt == 1) return 0;
963
964     for (std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI= IVsByStride.begin(),
965            SE = IVsByStride.end(); SI != SE; ++SI) {
966       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
967       if (SInt != -SSInt &&
968           (unsigned(abs(SInt)) < SSInt || (SInt % SSInt) != 0))
969         continue;
970       int64_t Scale = SInt / SSInt;
971       // Check that this stride is valid for all the types used for loads and
972       // stores; if it can be used for some and not others, we might as well use
973       // the original stride everywhere, since we have to create the IV for it
974       // anyway.
975       if (ValidStride(Scale, UsersToProcess))
976         for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
977                IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
978           // FIXME: Only handle base == 0 for now.
979           // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
980           if (isZero(II->Base) && II->Base->getType() == Ty) {
981             IV = *II;
982             return Scale;
983           }
984     }
985   }
986   return 0;
987 }
988
989 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
990 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
991 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
992   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
993 }
994
995 /// isNonConstantNegative - REturn true if the specified scev is negated, but
996 /// not a constant.
997 static bool isNonConstantNegative(const SCEVHandle &Expr) {
998   SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Expr);
999   if (!Mul) return false;
1000   
1001   // If there is a constant factor, it will be first.
1002   SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0));
1003   if (!SC) return false;
1004   
1005   // Return true if the value is negative, this matches things like (-42 * V).
1006   return SC->getValue()->getValue().isNegative();
1007 }
1008
1009 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
1010 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
1011 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
1012 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
1013                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
1014                                                       Loop *L,
1015                                                       bool isOnlyStride) {
1016   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
1017   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
1018   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
1019   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
1020   // have the full access expression to rewrite the use.
1021   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1022   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
1023   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
1024     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
1025     
1026     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
1027     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
1028     // computed.
1029     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
1030                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
1031     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
1032            "Base value is not loop invariant!");
1033   }
1034
1035   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
1036   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
1037   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
1038   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
1039   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
1040   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
1041   // UsersToProcess base values.
1042   SCEVHandle CommonExprs =
1043     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
1044   
1045   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
1046   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
1047   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
1048   // of the remaining uses.
1049   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1050     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
1051     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
1052     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
1053     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
1054       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
1055                                                UsersToProcess[i].Base);
1056       UsersToProcess[i].Base = 
1057         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
1058     } else {
1059       
1060       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
1061       // the store is through the expression, not of the expression though.
1062       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
1063       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst)) {
1064         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
1065           isAddress = true;
1066       } else if (IntrinsicInst *II =
1067                    dyn_cast<IntrinsicInst>(UsersToProcess[i].Inst)) {
1068         // Addressing modes can also be folded into prefetches.
1069         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::prefetch &&
1070             II->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
1071           isAddress = true;
1072       }
1073       
1074       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Inst, UsersToProcess[i].Base,
1075                           UsersToProcess[i].Imm, isAddress, L);
1076     }
1077   }
1078
1079   // Check if it is possible to reuse a IV with stride that is factor of this
1080   // stride. And the multiple is a number that can be encoded in the scale
1081   // field of the target addressing mode.  And we will have a valid
1082   // instruction after this substition, including the immediate field, if any.
1083   PHINode *NewPHI = NULL;
1084   Value   *IncV   = NULL;
1085   IVExpr   ReuseIV;
1086   unsigned RewriteFactor = CheckForIVReuse(Stride, ReuseIV,
1087                                            CommonExprs->getType(),
1088                                            UsersToProcess);
1089   if (RewriteFactor != 0) {
1090     DOUT << "BASED ON IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
1091          << " and BASE " << *ReuseIV.Base << " :\n";
1092     NewPHI = ReuseIV.PHI;
1093     IncV   = ReuseIV.IncV;
1094   }
1095
1096   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1097   
1098   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
1099   //
1100   DOUT << "INSERTING IV of TYPE " << *ReplacedTy << " of STRIDE "
1101        << *Stride << " and BASE " << *CommonExprs << ": ";
1102
1103   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
1104   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
1105   
1106   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1107   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1108   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
1109   
1110   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1111
1112
1113   // Emit the initial base value into the loop preheader.
1114   Value *CommonBaseV
1115     = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt,
1116                                       ReplacedTy);
1117
1118   if (RewriteFactor == 0) {
1119     // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
1120     NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
1121     ++NumInserted;
1122   
1123     // Add common base to the new Phi node.
1124     NewPHI->addIncoming(CommonBaseV, Preheader);
1125
1126     // If the stride is negative, insert a sub instead of an add for the
1127     // increment.
1128     bool isNegative = isNonConstantNegative(Stride);
1129     SCEVHandle IncAmount = Stride;
1130     if (isNegative)
1131       IncAmount = SCEV::getNegativeSCEV(Stride);
1132     
1133     // Insert the stride into the preheader.
1134     Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(IncAmount, PreInsertPt,
1135                                                      ReplacedTy);
1136     if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
1137
1138     // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
1139     // latch block, and add it to the Phi node.
1140     SCEVHandle IncExp = SCEVUnknown::get(StrideV);
1141     if (isNegative)
1142       IncExp = SCEV::getNegativeSCEV(IncExp);
1143     IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI), IncExp);
1144   
1145     IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator(),
1146                                   ReplacedTy);
1147     IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
1148     NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1149
1150     // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1151     IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, NewPHI, IncV);
1152     
1153     DOUT << " IV=%" << NewPHI->getNameStr() << " INC=%" << IncV->getNameStr();
1154   } else {
1155     Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1156     if (!C ||
1157         (!C->isNullValue() &&
1158          !isTargetConstant(SCEVUnknown::get(CommonBaseV), ReplacedTy, TLI)))
1159       // We want the common base emitted into the preheader! This is just
1160       // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1161       CommonBaseV = new BitCastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(), 
1162                                     "commonbase", PreInsertPt);
1163   }
1164   DOUT << "\n";
1165
1166   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1167   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1168   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1169   // vector (so we handle them first).
1170   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1171                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1172   
1173   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1174   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1175   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1176   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1177   //
1178   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1179   // SCEVHandle's don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1180   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1181   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1182   // ==.
1183   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1184     // Get a base value.
1185     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1186     
1187     // Compact everything with this base to be consequetive with this one.
1188     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1189       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1190         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1191         ++i;
1192       }
1193     }
1194   }
1195
1196   // Process all the users now.  This outer loop handles all bases, the inner
1197   // loop handles all users of a particular base.
1198   while (!UsersToProcess.empty()) {
1199     SCEVHandle Base = UsersToProcess.back().Base;
1200
1201     // Emit the code for Base into the preheader.
1202     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt,
1203                                                    ReplacedTy);
1204
1205     DOUT << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":";
1206     if (BaseV->hasName())
1207       DOUT << " Result value name = %" << BaseV->getNameStr();
1208     DOUT << "\n";
1209
1210     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
1211     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
1212     // this by forcing a BitCast (noop cast) to be inserted into the preheader 
1213     // in this case.
1214     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV)) {
1215       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base, ReplacedTy, TLI)) {
1216         // We want this constant emitted into the preheader! This is just
1217         // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1218         BaseV = new BitCastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1219                              PreInsertPt);       
1220       }
1221     }
1222
1223     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1224     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1225     do {
1226       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1227       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1228
1229       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1230       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1231       Value *RewriteOp = NewPHI;
1232       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1233         RewriteOp = IncV;
1234
1235         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1236         // loop to ensure it is dominated by the increment.
1237         if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1238           User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
1239       }
1240       if (RewriteOp->getType() != ReplacedTy) {
1241         Instruction::CastOps opcode = Instruction::Trunc;
1242         if (ReplacedTy->getPrimitiveSizeInBits() ==
1243             RewriteOp->getType()->getPrimitiveSizeInBits())
1244           opcode = Instruction::BitCast;
1245         RewriteOp = SCEVExpander::InsertCastOfTo(opcode, RewriteOp, ReplacedTy);
1246       }
1247
1248       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
1249
1250       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1251       // to have the code emitted where we expect it.
1252       Rewriter.clear();
1253
1254       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1255       // factor take advantage of addressing mode scale component.
1256       if (RewriteFactor != 0) {
1257         RewriteExpr =
1258           SCEVMulExpr::get(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(RewriteFactor,
1259                                                        RewriteExpr->getType()),
1260                            RewriteExpr);
1261
1262         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1263         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1264         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1265         if (!isa<ConstantInt>(CommonBaseV) ||
1266             !cast<ConstantInt>(CommonBaseV)->isZero())
1267           RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr,
1268                                          SCEVUnknown::get(CommonBaseV));
1269       }
1270
1271       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1272       // immediate and any loop-variant expressions.
1273       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isZero())
1274         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1275         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
1276
1277       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
1278
1279       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
1280       // if we just replaced the last use of that value.
1281       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
1282
1283       UsersToProcess.pop_back();
1284       ++NumReduced;
1285
1286       // If there are any more users to process with the same base, process them
1287       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1288     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1289     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1290   }
1291
1292   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1293   // different starting values, into different PHIs.
1294 }
1295
1296 /// FindIVForUser - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1297 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1298 /// false.
1299 bool LoopStrengthReduce::FindIVForUser(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
1300                                        const SCEVHandle *&CondStride) {
1301   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e && !CondUse;
1302        ++Stride) {
1303     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1304     IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1305     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1306     
1307     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second.Users.begin(),
1308          E = SI->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
1309       if (UI->User == Cond) {
1310         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1311         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1312         // occurs enough in real life to handle.
1313         CondUse = &*UI;
1314         CondStride = &SI->first;
1315         return true;
1316       }
1317   }
1318   return false;
1319 }    
1320
1321 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
1322 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
1323 // common indvars for the different uses.
1324 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
1325   // TODO: implement optzns here.
1326
1327   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1328   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1329   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1330   // one register value.
1331   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
1332   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1333   BasicBlock *LatchBlock =
1334    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
1335   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
1336   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() || 
1337       !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1338     return;
1339   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1340
1341   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1342   IVStrideUse *CondUse = 0;
1343   const SCEVHandle *CondStride = 0;
1344
1345   if (!FindIVForUser(Cond, CondUse, CondStride))
1346     return; // setcc doesn't use the IV.
1347   
1348
1349   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
1350   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
1351   // the latch block branch, move it.
1352   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
1353     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
1354       Cond->moveBefore(TermBr);
1355     } else {
1356       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
1357       Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
1358       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
1359       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
1360       
1361       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
1362       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
1363                                          CondUse->OperandValToReplace);
1364       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
1365     }
1366   }
1367
1368   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
1369   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
1370   // live ranges for the IV correctly.
1371   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
1372   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
1373 }
1374
1375 namespace {
1376   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1377   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1378   // e.g.
1379   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1380   struct StrideCompare {
1381     bool operator()(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1382       SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1383       SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1384       if (LHSC && RHSC) {
1385         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1386         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1387         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1388         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1389         if (ALV == ARV)
1390           return LV > RV;
1391         else
1392           return ALV < ARV;
1393       }
1394       return (LHSC && !RHSC);
1395     }
1396   };
1397 }
1398
1399 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1400
1401   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1402   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1403   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1404   TD = &getAnalysis<TargetData>();
1405   UIntPtrTy = TD->getIntPtrType();
1406
1407   // Find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
1408   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
1409   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
1410   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
1411   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
1412     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
1413
1414   // If we have nothing to do, return.
1415   if (IVUsesByStride.empty()) return false;
1416
1417   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
1418   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
1419   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
1420   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
1421   OptimizeIndvars(L);
1422
1423
1424   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
1425   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
1426
1427   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
1428   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
1429   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
1430   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
1431   // indvars.
1432
1433   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
1434   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
1435
1436 #ifndef NDEBUG
1437   DOUT << "\nLSR on ";
1438   DEBUG(L->dump());
1439 #endif
1440
1441   // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
1442   IVsByStride.clear();
1443
1444   // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
1445   std::stable_sort(StrideOrder.begin(), StrideOrder.end(), StrideCompare());
1446
1447   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
1448   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.  Also,
1449   // node that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using StrideOrder.
1450   // This extra layer of indirection makes the ordering of strides deterministic
1451   // - not dependent on map order.
1452   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e; ++Stride) {
1453     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1454       IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1455     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1456     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
1457   }
1458
1459   // Clean up after ourselves
1460   if (!DeadInsts.empty()) {
1461     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1462
1463     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1464     PHINode *PN;
1465     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
1466       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
1467       
1468       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
1469       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
1470       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
1471       // indvar to be considered dead are:
1472       // 1. the cann indvar has one use
1473       // 2. the use is an add instruction
1474       // 3. the add has one use
1475       // 4. the add is used by the cann indvar
1476       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1477       // the cann indvar.
1478       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1479       // compared against some value to decide loop termination.
1480       if (PN->hasOneUse()) {
1481         Instruction *BO = dyn_cast<Instruction>(*PN->use_begin());
1482         if (BO && (isa<BinaryOperator>(BO) || isa<CmpInst>(BO))) {
1483           if (BO->hasOneUse() && PN == *(BO->use_begin())) {
1484             DeadInsts.insert(BO);
1485             // Break the cycle, then delete the PHI.
1486             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1487             SE->deleteInstructionFromRecords(PN);
1488             PN->eraseFromParent();
1489           }
1490         }
1491       }
1492     }
1493     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1494   }
1495
1496   CastedPointers.clear();
1497   IVUsesByStride.clear();
1498   StrideOrder.clear();
1499   return false;
1500 }