ARM: whitespace
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
24 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
25 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
26 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
27 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
28 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
29 #include "llvm/IR/CFG.h"
30 #include "llvm/IR/Constants.h"
31 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/IR/Function.h"
33 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
34 #include "llvm/IR/Instructions.h"
35 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
36 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
37 #include "llvm/Pass.h"
38 #include "llvm/Support/Debug.h"
39 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
41 #include <algorithm>
42 using namespace llvm;
43
44 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
45
46 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
47 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
48 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
49
50 namespace {
51   struct ValueEntry {
52     unsigned Rank;
53     Value *Op;
54     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
55   };
56   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
57     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
58   }
59 }
60
61 #ifndef NDEBUG
62 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
63 ///
64 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
65   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
66   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
67        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
68   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
69     dbgs() << "[ ";
70     Ops[i].Op->printAsOperand(dbgs(), false, M);
71     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
72   }
73 }
74 #endif
75
76 namespace {
77   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
78   /// factor of some product.
79   struct Factor {
80     Value *Base;
81     unsigned Power;
82
83     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
84
85     /// \brief Sort factors by their Base.
86     struct BaseSorter {
87       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
88         return LHS.Base < RHS.Base;
89       }
90     };
91
92     /// \brief Compare factors for equal bases.
93     struct BaseEqual {
94       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
95         return LHS.Base == RHS.Base;
96       }
97     };
98
99     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
100     struct PowerDescendingSorter {
101       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
102         return LHS.Power > RHS.Power;
103       }
104     };
105
106     /// \brief Compare factors for equal powers.
107     struct PowerEqual {
108       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
109         return LHS.Power == RHS.Power;
110       }
111     };
112   };
113   
114   /// Utility class representing a non-constant Xor-operand. We classify
115   /// non-constant Xor-Operands into two categories:
116   ///  C1) The operand is in the form "X & C", where C is a constant and C != ~0
117   ///  C2)
118   ///    C2.1) The operand is in the form of "X | C", where C is a non-zero
119   ///          constant.
120   ///    C2.2) Any operand E which doesn't fall into C1 and C2.1, we view this
121   ///          operand as "E | 0"
122   class XorOpnd {
123   public:
124     XorOpnd(Value *V);
125
126     bool isInvalid() const { return SymbolicPart == nullptr; }
127     bool isOrExpr() const { return isOr; }
128     Value *getValue() const { return OrigVal; }
129     Value *getSymbolicPart() const { return SymbolicPart; }
130     unsigned getSymbolicRank() const { return SymbolicRank; }
131     const APInt &getConstPart() const { return ConstPart; }
132
133     void Invalidate() { SymbolicPart = OrigVal = nullptr; }
134     void setSymbolicRank(unsigned R) { SymbolicRank = R; }
135
136     // Sort the XorOpnd-Pointer in ascending order of symbolic-value-rank.
137     // The purpose is twofold:
138     // 1) Cluster together the operands sharing the same symbolic-value.
139     // 2) Operand having smaller symbolic-value-rank is permuted earlier, which 
140     //   could potentially shorten crital path, and expose more loop-invariants.
141     //   Note that values' rank are basically defined in RPO order (FIXME). 
142     //   So, if Rank(X) < Rank(Y) < Rank(Z), it means X is defined earlier 
143     //   than Y which is defined earlier than Z. Permute "x | 1", "Y & 2",
144     //   "z" in the order of X-Y-Z is better than any other orders.
145     struct PtrSortFunctor {
146       bool operator()(XorOpnd * const &LHS, XorOpnd * const &RHS) {
147         return LHS->getSymbolicRank() < RHS->getSymbolicRank();
148       }
149     };
150   private:
151     Value *OrigVal;
152     Value *SymbolicPart;
153     APInt ConstPart;
154     unsigned SymbolicRank;
155     bool isOr;
156   };
157 }
158
159 namespace {
160   class Reassociate : public FunctionPass {
161     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
162     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
163     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
164     bool MadeChange;
165   public:
166     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
167     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
168       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
169     }
170
171     bool runOnFunction(Function &F) override;
172
173     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
174       AU.setPreservesCFG();
175     }
176   private:
177     void BuildRankMap(Function &F);
178     unsigned getRank(Value *V);
179     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
180     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
181     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
182                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
183     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
184     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
185     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
186                         Value *&Res);
187     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
188                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
189     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
190                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
191     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
192                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
193     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
194     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
195     void EraseInst(Instruction *I);
196     void OptimizeInst(Instruction *I);
197   };
198 }
199
200 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
201   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
202   OrigVal = V;
203   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
204   SymbolicRank = 0;
205
206   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
207             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
208     Value *V0 = I->getOperand(0);
209     Value *V1 = I->getOperand(1);
210     if (isa<ConstantInt>(V0))
211       std::swap(V0, V1);
212
213     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
214       ConstPart = C->getValue();
215       SymbolicPart = V0;
216       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
217       return;
218     }
219   }
220
221   // view the operand as "V | 0"
222   SymbolicPart = V;
223   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
224   isOr = true;
225 }
226
227 char Reassociate::ID = 0;
228 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
229                 "Reassociate expressions", false, false)
230
231 // Public interface to the Reassociate pass
232 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
233
234 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
235 /// opcode and if it only has one use.
236 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
237   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
238       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
239     return cast<BinaryOperator>(V);
240   return nullptr;
241 }
242
243 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
244                                         unsigned Opcode2) {
245   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
246       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
247        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2))
248     return cast<BinaryOperator>(V);
249   return nullptr;
250 }
251
252 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
253   switch (I->getOpcode()) {
254   case Instruction::PHI:
255   case Instruction::LandingPad:
256   case Instruction::Alloca:
257   case Instruction::Load:
258   case Instruction::Invoke:
259   case Instruction::UDiv:
260   case Instruction::SDiv:
261   case Instruction::FDiv:
262   case Instruction::URem:
263   case Instruction::SRem:
264   case Instruction::FRem:
265     return true;
266   case Instruction::Call:
267     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
268   default:
269     return false;
270   }
271 }
272
273 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
274   unsigned i = 2;
275
276   // Assign distinct ranks to function arguments
277   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
278     ValueRankMap[&*I] = ++i;
279
280   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
281   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
282          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
283     BasicBlock *BB = *I;
284     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
285
286     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
287     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
288     // all different in the block.
289     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
290       if (isUnmovableInstruction(I))
291         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
292   }
293 }
294
295 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
296   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
297   if (!I) {
298     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
299     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
300   }
301
302   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
303     return Rank;    // Rank already known?
304
305   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
306   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
307   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
308   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
309   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
310   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
311        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
312     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
313
314   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
315   // assures us that X and ~X will have the same rank.
316   Type *Ty = V->getType();
317   if ((!Ty->isIntegerTy() && !Ty->isFloatingPointTy()) ||
318       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
319        !BinaryOperator::isFNeg(I)))
320     ++Rank;
321
322   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
323   //     << Rank << "\n");
324
325   return ValueRankMap[I] = Rank;
326 }
327
328 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
329                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
330   if (S1->getType()->isIntegerTy())
331     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
332   else {
333     BinaryOperator *Res =
334         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
335     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
336     return Res;
337   }
338 }
339
340 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
341                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
342   if (S1->getType()->isIntegerTy())
343     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
344   else {
345     BinaryOperator *Res =
346       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
347     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
348     return Res;
349   }
350 }
351
352 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
353                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
354   if (S1->getType()->isIntegerTy())
355     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
356   else {
357     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
358     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
359     return Res;
360   }
361 }
362
363 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
364 ///
365 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
366   Type *Ty = Neg->getType();
367   Constant *NegOne = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)
368                                        : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
369
370   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
371   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
372   Res->takeName(Neg);
373   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
374   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
375   return Res;
376 }
377
378 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
379 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
380 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
381 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
382 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
383 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
384   if (Bitwidth < 3)
385     return Bitwidth - 1;
386   return Bitwidth - 2;
387 }
388
389 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
390 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
391 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
392 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
393 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
394 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
395 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
396 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
397   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
398   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
399   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
400   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
401   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
402   // weight back into range if wrapping would be wrong.
403
404   // If RHS is zero then the weight didn't change.
405   if (RHS.isMinValue())
406     return;
407   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
408   if (LHS.isMinValue()) {
409     LHS = RHS;
410     return;
411   }
412   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
413
414   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
415     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
416     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
417     // not a problem.
418     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
419     return; // Return a weight of 1.
420   }
421   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
422     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
423     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
424     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
425     return;
426   }
427   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
428     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
429     LHS += RHS;
430     return;
431   }
432
433   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
434          "Unknown associative operation!");
435   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
436   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
437   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
438   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
439   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
440   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
441   // which by a happy accident means that they can always be represented using
442   // Bitwidth bits.
443   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
444   // the Carmichael number).
445   if (Bitwidth > 3) {
446     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
447     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
448     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
449     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
450     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
451     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
452     LHS += RHS;
453     while (LHS.uge(Threshold))
454       LHS -= CM;
455   } else {
456     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
457     // a larger type.
458     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
459     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
460     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
461            "Weights not reduced!");
462     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
463     while (Total >= Threshold)
464       Total -= CM;
465     LHS = Total;
466   }
467 }
468
469 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
470
471 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
472 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
473 /// original expression is the same as
474 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
475 /// op
476 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
477 /// op
478 ///   ...
479 /// op
480 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
481 ///
482 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
483 ///
484 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
485 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
486 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
487 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
488 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
489 ///
490 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
491 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
492 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
493 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
494 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
495 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
496 /// use is a non-leaf node of the expression.
497 ///
498 /// For example:
499 ///           expression graph        node names
500 ///
501 ///                     +        |        I
502 ///                    / \       |
503 ///                   +   +      |      A,  B
504 ///                  / \ / \     |
505 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
506 ///                / \ / \ / \   |
507 ///                   +   *      |      F,  G
508 ///
509 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
510 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
511 ///
512 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
513 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
514 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
515 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
516 ///
517 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
518 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
519 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
520 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
521 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
522 /// made a change by returning 'true'.
523 ///
524 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
525 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
526 ///
527 ///                     +        |        I
528 ///                    / \       |
529 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
530 ///                  / \   \     |
531 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
532 ///                / \ / \ / \   |
533 ///                   +   *      |      F,  G
534 ///
535 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
536 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
537 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
538 /// which requires passing through a phi node.
539 ///
540 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
541 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
542 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
543 /// type and thus make the expression bigger.
544
545 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
546                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
547   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
548   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
549   unsigned Opcode = I->getOpcode();
550   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
551          "Expected an associative and commutative operation!");
552
553   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
554   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
555   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
556   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
557   // while A has weight two.
558
559   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
560   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
561   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
562   // ways to get to it.
563   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
564   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
565   bool MadeChange = false;
566
567   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
568   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
569   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
570   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
571   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
572   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
573   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
574   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
575   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
576   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
577   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
578   // are explored.
579
580   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
581   // paths to each leaf seen so far.
582   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
583   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
584   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
585
586 #ifndef NDEBUG
587   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
588 #endif
589   while (!Worklist.empty()) {
590     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
591     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
592
593     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
594       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
595       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
596       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
597       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
598
599       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
600       // add its operands to the expression.
601       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
602         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
603         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
604         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
605         continue;
606       }
607
608       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
609       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
610       if (It == Leaves.end()) {
611         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
612         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
613         if (!Op->hasOneUse()) {
614           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
615           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
616           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
617           LeafOrder.push_back(Op);
618           Leaves[Op] = Weight;
619           continue;
620         }
621         // No uses outside the expression, try morphing it.
622       } else if (It != Leaves.end()) {
623         // Already in the leaf map.
624         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
625
626         // Update the number of paths to the leaf.
627         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
628
629 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
630         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
631         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
632         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
633         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
634         MadeChange = true;
635
636         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
637         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
638         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
639         // its operands to the expression.
640         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
641           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
642           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
643           Leaves.erase(It);
644           continue;
645         }
646 #endif
647
648         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
649         // then it is not safe to modify the value.
650         if (!Op->hasOneUse())
651           continue;
652
653         // No uses outside the expression, try morphing it.
654         Weight = It->second;
655         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
656       }
657
658       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
659       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
660       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
661       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
662       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
663               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
664              "Should have been handled above!");
665       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
666
667       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
668       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
669       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
670         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
671             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
672           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
673           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
674           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
675           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
676           MadeChange = true;
677           continue;
678         }
679
680       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
681       // a leaf.
682       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
683       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
684       LeafOrder.push_back(Op);
685       Leaves[Op] = Weight;
686     }
687   }
688
689   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
690   // form of the expression.
691   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
692     Value *V = LeafOrder[i];
693     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
694     if (It == Leaves.end())
695       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
696       continue;
697     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
698     APInt Weight = It->second;
699     if (Weight.isMinValue())
700       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
701       continue;
702     // Ensure the leaf is only output once.
703     It->second = 0;
704     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
705   }
706
707   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
708   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
709   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
710   if (Ops.empty()) {
711     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
712     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
713     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
714   }
715
716   return MadeChange;
717 }
718
719 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
720 // linearized and optimized, emit them in-order.
721 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
722                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
723   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
724
725   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
726   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
727   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
728   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
729   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
730   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
731   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
732   // nsw flags.
733
734   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
735   /// the new expression into.
736   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
737   unsigned Opcode = I->getOpcode();
738   BinaryOperator *Op = I;
739
740   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
741   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
742   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
743   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
744   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
745   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
746   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
747   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
748   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
749   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
750   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
751   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
752     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
753
754   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
755   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
756   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
757   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
758   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
759     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
760     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
761     // a subexpression.
762     if (i+2 == Ops.size()) {
763       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
764       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
765       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
766       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
767
768       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
769         // Nothing changed, leave it alone.
770         break;
771
772       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
773         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
774         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
775         Op->swapOperands();
776         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
777         MadeChange = true;
778         ++NumChanged;
779         break;
780       }
781
782       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
783       // the old operands with the new ones.
784       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
785       if (NewLHS != OldLHS) {
786         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
787         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
788           NodesToRewrite.push_back(BO);
789         Op->setOperand(0, NewLHS);
790       }
791       if (NewRHS != OldRHS) {
792         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
793         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
794           NodesToRewrite.push_back(BO);
795         Op->setOperand(1, NewRHS);
796       }
797       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
798
799       ExpressionChanged = Op;
800       MadeChange = true;
801       ++NumChanged;
802
803       break;
804     }
805
806     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
807     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
808     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
809     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
810       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
811       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
812         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
813         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
814         Op->swapOperands();
815       } else {
816         // Overwrite with the new right-hand side.
817         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
818         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
819           NodesToRewrite.push_back(BO);
820         Op->setOperand(1, NewRHS);
821         ExpressionChanged = Op;
822       }
823       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
824       MadeChange = true;
825       ++NumChanged;
826     }
827
828     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
829     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
830     // into it.
831     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
832     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
833       Op = BO;
834       continue;
835     }
836
837     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
838     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
839     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
840     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
841     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
842     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
843     // stupid, create a new node if there are none left.
844     BinaryOperator *NewOp;
845     if (NodesToRewrite.empty()) {
846       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
847       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
848                                      Undef, Undef, "", I);
849       if (NewOp->getType()->isFloatingPointTy())
850         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
851     } else {
852       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
853     }
854
855     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
856     Op->setOperand(0, NewOp);
857     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
858     ExpressionChanged = Op;
859     MadeChange = true;
860     ++NumChanged;
861     Op = NewOp;
862   }
863
864   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
865   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
866   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
867   // expression tree is dominated by all of Ops.
868   if (ExpressionChanged)
869     do {
870       // Preserve FastMathFlags.
871       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
872         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
873         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
874         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
875       } else
876         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
877
878       if (ExpressionChanged == I)
879         break;
880       ExpressionChanged->moveBefore(I);
881       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
882     } while (1);
883
884   // Throw away any left over nodes from the original expression.
885   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
886     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
887 }
888
889 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
890 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
891 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
892 /// that should be processed next by the reassociation pass.
893 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
894   if (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V))
895     return ConstantExpr::getFNeg(C);
896   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
897     return ConstantExpr::getNeg(C);
898
899   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
900   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
901   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
902   // this means that we turn this:
903   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
904   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
905   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
906   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
907   //
908   if (BinaryOperator *I =
909           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
910     // Push the negates through the add.
911     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
912     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
913
914     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
915     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
916     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
917     // instruction we are about to insert after them.
918     //
919     I->moveBefore(BI);
920     I->setName(I->getName()+".neg");
921     return I;
922   }
923
924   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
925   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
926   for (User *U : V->users()) {
927     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
928       continue;
929
930     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
931     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
932     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
933     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
934     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
935
936     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
937     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
938       continue;
939
940     BasicBlock::iterator InsertPt;
941     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
942       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
943         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
944       } else {
945         InsertPt = InstInput;
946         ++InsertPt;
947       }
948       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
949     } else {
950       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
951     }
952     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
953     return TheNeg;
954   }
955
956   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
957   // negation.
958   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
959 }
960
961 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
962 /// X-Y into (X + -Y).
963 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
964   // If this is a negation, we can't split it up!
965   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
966     return false;
967
968   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
969   // subtract or if this is only used by one.
970   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
971   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
972       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
973     return true;
974   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
975   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
976       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
977     return true;
978   Value *VB = Sub->user_back();
979   if (Sub->hasOneUse() &&
980       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
981        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
982     return true;
983
984   return false;
985 }
986
987 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
988 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
989 /// reassociation.
990 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
991   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
992   // instructions to be commuted with other add instructions.
993   //
994   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
995   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
996   //
997   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
998   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
999   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1000   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1001   New->takeName(Sub);
1002
1003   // Everyone now refers to the add instruction.
1004   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1005   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1006
1007   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1008   return New;
1009 }
1010
1011 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
1012 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
1013 /// reassociation.
1014 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1015   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1016   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1017
1018   BinaryOperator *Mul =
1019     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1020   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1021   Mul->takeName(Shl);
1022   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1023   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1024   return Mul;
1025 }
1026
1027 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
1028 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
1029 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
1030 /// same rank.
1031 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1032                                   Value *X) {
1033   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1034   unsigned e = Ops.size();
1035   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
1036     if (Ops[j].Op == X)
1037       return j;
1038   // Scan backwards.
1039   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
1040     if (Ops[j].Op == X)
1041       return j;
1042   return i;
1043 }
1044
1045 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1046 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1047 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1048                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1049   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1050
1051   Value *V1 = Ops.back();
1052   Ops.pop_back();
1053   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1054   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1055 }
1056
1057 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
1058 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
1059 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1060 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1061   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1062   if (!BO)
1063     return nullptr;
1064
1065   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1066   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1067   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1068   Factors.reserve(Tree.size());
1069   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1070     RepeatedValue E = Tree[i];
1071     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1072                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1073   }
1074
1075   bool FoundFactor = false;
1076   bool NeedsNegate = false;
1077   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1078     if (Factors[i].Op == Factor) {
1079       FoundFactor = true;
1080       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1081       break;
1082     }
1083
1084     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1085     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1086       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1087         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1088           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1089           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1090           break;
1091         }
1092     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1093       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1094         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1095         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1096         F2.changeSign();
1097         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1098           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1099           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1100           break;
1101         }
1102       }
1103     }
1104   }
1105
1106   if (!FoundFactor) {
1107     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1108     RewriteExprTree(BO, Factors);
1109     return nullptr;
1110   }
1111
1112   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1113
1114   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1115   // remaining operand.
1116   if (Factors.size() == 1) {
1117     RedoInsts.insert(BO);
1118     V = Factors[0].Op;
1119   } else {
1120     RewriteExprTree(BO, Factors);
1121     V = BO;
1122   }
1123
1124   if (NeedsNegate)
1125     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1126
1127   return V;
1128 }
1129
1130 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1131 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1132 ///
1133 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1134 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1135                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1136                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1137   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1138   if (!BO) {
1139     Factors.push_back(V);
1140     return;
1141   }
1142
1143   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1144   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1145   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1146 }
1147
1148 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1149 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1150 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1151 /// necessary.
1152 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1153                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1154   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1155   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1156   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1157     // First, check for X and ~X in the operand list.
1158     assert(i < Ops.size());
1159     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1160       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1161       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1162       if (FoundX != i) {
1163         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1164           return Constant::getNullValue(X->getType());
1165
1166         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1167           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1168       }
1169     }
1170
1171     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1172     // each other, due to our sorting criteria.
1173     assert(i < Ops.size());
1174     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1175       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1176         // Drop duplicate values for And and Or.
1177         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1178         --i; --e;
1179         ++NumAnnihil;
1180         continue;
1181       }
1182
1183       // Drop pairs of values for Xor.
1184       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1185       if (e == 2)
1186         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1187
1188       // Y ^ X^X -> Y
1189       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1190       i -= 1; e -= 2;
1191       ++NumAnnihil;
1192     }
1193   }
1194   return nullptr;
1195 }
1196
1197 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1198 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1199 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1200 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1201 /// be returned.
1202 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1203                              const APInt &ConstOpnd) {
1204   if (ConstOpnd != 0) {
1205     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1206       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1207       Instruction *I;
1208       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1209                                     "and.ra", InsertBefore);
1210       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1211       return I;
1212     }
1213     return Opnd;
1214   }
1215   return nullptr;
1216 }
1217
1218 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1219 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1220 //
1221 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1222 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1223 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1224 //  
1225 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1226                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1227   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1228   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1229   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1230   // It is useful only when c1 == c2.
1231   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1232     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1233       return false;
1234
1235     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1236     if (C1 != ConstOpnd)
1237       return false;
1238
1239     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1240     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1241     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1242     ConstOpnd ^= C1;
1243
1244     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1245       RedoInsts.insert(T);
1246     return true;
1247   }
1248   return false;
1249 }
1250
1251                            
1252 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1253 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1254 // symbolic value. 
1255 // 
1256 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1257 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1258 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1259 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1260 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1261                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1262   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1263   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1264     return false;
1265
1266   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1267   int DeadInstNum = 1;
1268   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1269     DeadInstNum++;
1270   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1271     DeadInstNum++;
1272
1273   // Xor-Rule 2:
1274   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1275   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1276   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1277   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1278   //
1279   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1280     if (Opnd2->isOrExpr())
1281       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1282
1283     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1284     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1285     APInt C3((~C1) ^ C2);
1286
1287     // Do not increase code size!
1288     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1289       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1290       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1291         return false;
1292     }
1293
1294     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1295     ConstOpnd ^= C1;
1296
1297   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1298     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1299     //
1300     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1301     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1302     APInt C3 = C1 ^ C2;
1303     
1304     // Do not increase code size
1305     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1306       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1307       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1308         return false;
1309     }
1310
1311     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1312     ConstOpnd ^= C3;
1313   } else {
1314     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1315     //
1316     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1317     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1318     APInt C3 = C1 ^ C2;
1319     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1320   }
1321
1322   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1323   // as dead code.
1324   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1325     RedoInsts.insert(T);
1326   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1327     RedoInsts.insert(T);
1328
1329   return true;
1330 }
1331
1332 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1333 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1334 /// necessary.
1335 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1336                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1337   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1338     return V;
1339       
1340   if (Ops.size() == 1)
1341     return nullptr;
1342
1343   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1344   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1345   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1346   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1347
1348   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1349   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1350     Value *V = Ops[i].Op;
1351     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1352       XorOpnd O(V);
1353       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1354       Opnds.push_back(O);
1355     } else
1356       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1357   }
1358
1359   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1360   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1361   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1362   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1363   //  when new elements are added to the vector.
1364   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1365     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1366
1367   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1368   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1369   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1370   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1371   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1372
1373   // Step 3: Combine adjacent operands
1374   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1375   bool Changed = false;
1376   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1377     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1378     // The combined value
1379     Value *CV;
1380
1381     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1382     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1383       Changed = true;
1384       if (CV)
1385         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1386       else {
1387         CurrOpnd->Invalidate();
1388         continue;
1389       }
1390     }
1391
1392     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1393       PrevOpnd = CurrOpnd;
1394       continue;
1395     }
1396
1397     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1398     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1399     //    
1400     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1401       // Remove previous operand
1402       PrevOpnd->Invalidate();
1403       if (CV) {
1404         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1405         PrevOpnd = CurrOpnd;
1406       } else {
1407         CurrOpnd->Invalidate();
1408         PrevOpnd = nullptr;
1409       }
1410       Changed = true;
1411     }
1412   }
1413
1414   // Step 4: Reassemble the Ops
1415   if (Changed) {
1416     Ops.clear();
1417     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1418       XorOpnd &O = Opnds[i];
1419       if (O.isInvalid())
1420         continue;
1421       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1422       Ops.push_back(VE);
1423     }
1424     if (ConstOpnd != 0) {
1425       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1426       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1427       Ops.push_back(VE);
1428     }
1429     int Sz = Ops.size();
1430     if (Sz == 1)
1431       return Ops.back().Op;
1432     else if (Sz == 0) {
1433       assert(ConstOpnd == 0);
1434       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1435     }
1436   }
1437
1438   return nullptr;
1439 }
1440
1441 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1442 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1443 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1444 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1445                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1446   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1447   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1448   // scan for any
1449   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1450
1451   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1452     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1453     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1454     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1455     // that these need to be next to each other in the vector.
1456     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1457       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1458       unsigned NumFound = 0;
1459       do {
1460         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1461         ++NumFound;
1462       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1463
1464       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1465       ++NumFactor;
1466
1467       // Insert a new multiply.
1468       Type *Ty = TheOp->getType();
1469       Constant *C = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::get(Ty, NumFound)
1470                                       : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1471       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1472
1473       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1474       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1475       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1476       RedoInsts.insert(Mul);
1477
1478       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1479       if (Ops.empty())
1480         return Mul;
1481
1482       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1483       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1484       // things being added by this operation.
1485       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1486
1487       --i;
1488       e = Ops.size();
1489       continue;
1490     }
1491
1492     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1493     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1494         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1495       continue;
1496
1497     Value *X = nullptr;
1498     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1499       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1500     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1501       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1502
1503     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1504     if (FoundX == i)
1505       continue;
1506
1507     // Remove X and -X from the operand list.
1508     if (Ops.size() == 2 &&
1509         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1510       return Constant::getNullValue(X->getType());
1511
1512     // Remove X and ~X from the operand list.
1513     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1514       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1515
1516     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1517     if (i < FoundX)
1518       --FoundX;
1519     else
1520       --i;   // Need to back up an extra one.
1521     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1522     ++NumAnnihil;
1523     --i;     // Revisit element.
1524     e -= 2;  // Removed two elements.
1525
1526     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1527     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1528       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1529       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1530       e += 1;
1531     }
1532   }
1533
1534   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1535   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1536   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1537   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1538   // for any ADD operands that are MULs.
1539   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1540
1541   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1542   // where they are actually the same multiply.
1543   unsigned MaxOcc = 0;
1544   Value *MaxOccVal = nullptr;
1545   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1546     BinaryOperator *BOp =
1547         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1548     if (!BOp)
1549       continue;
1550
1551     // Compute all of the factors of this added value.
1552     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1553     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1554     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1555
1556     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1557     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1558     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1559       Value *Factor = Factors[i];
1560       if (!Duplicates.insert(Factor))
1561         continue;
1562
1563       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1564       if (Occ > MaxOcc) {
1565         MaxOcc = Occ;
1566         MaxOccVal = Factor;
1567       }
1568
1569       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1570       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1571       // cannot be positivified.
1572       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1573         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1574           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1575           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1576                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1577           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1578           if (Occ > MaxOcc) {
1579             MaxOcc = Occ;
1580             MaxOccVal = Factor;
1581           }
1582         }
1583       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1584         if (CF->isNegative()) {
1585           APFloat F(CF->getValueAPF());
1586           F.changeSign();
1587           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1588           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1589                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1590           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1591           if (Occ > MaxOcc) {
1592             MaxOcc = Occ;
1593             MaxOccVal = Factor;
1594           }
1595         }
1596       }
1597     }
1598   }
1599
1600   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1601   if (MaxOcc > 1) {
1602     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1603     ++NumFactor;
1604
1605     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1606     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1607     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1608     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1609     Instruction *DummyInst =
1610         I->getType()->isIntegerTy()
1611             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1612             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1613
1614     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1615     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1616       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1617       BinaryOperator *BOp =
1618           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1619       if (!BOp)
1620         continue;
1621
1622       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1623         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1624         // one fell swoop.
1625         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1626           --j;
1627           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1628             NewMulOps.push_back(V);
1629             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1630           }
1631         }
1632         --i;
1633       }
1634     }
1635
1636     // No need for extra uses anymore.
1637     delete DummyInst;
1638
1639     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1640     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1641
1642     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1643     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1644     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1645     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1646     (void)NumAddedValues;
1647     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1648       RedoInsts.insert(VI);
1649
1650     // Create the multiply.
1651     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1652
1653     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1654     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1655     RedoInsts.insert(V2);
1656
1657     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1658     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1659     if (Ops.empty())
1660       return V2;
1661
1662     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1663     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1664     // things being added by this operation.
1665     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1666   }
1667
1668   return nullptr;
1669 }
1670
1671 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1672 ///
1673 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1674 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1675 /// the order of descending power.
1676 ///
1677 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1678 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1679 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1680 ///
1681 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1682 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1683                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1684   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1685   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1686   unsigned FactorPowerSum = 0;
1687   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1688     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1689
1690     // Count the number of occurrences of this value.
1691     unsigned Count = 1;
1692     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1693       ++Count;
1694     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1695     if (Count > 1)
1696       FactorPowerSum += Count;
1697   }
1698
1699   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1700   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1701   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1702   // trying to simplify already minimal formations.
1703   if (FactorPowerSum < 4)
1704     return false;
1705
1706   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1707   FactorPowerSum = 0;
1708   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1709     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1710
1711     // Count the number of occurrences of this value.
1712     unsigned Count = 1;
1713     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1714       ++Count;
1715     if (Count == 1)
1716       continue;
1717     // Move an even number of occurrences to Factors.
1718     Count &= ~1U;
1719     Idx -= Count;
1720     FactorPowerSum += Count;
1721     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1722     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1723   }
1724
1725   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1726   // below our mininum of '4'.
1727   assert(FactorPowerSum >= 4);
1728
1729   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1730   return true;
1731 }
1732
1733 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1734 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1735                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1736   if (Ops.size() == 1)
1737     return Ops.back();
1738
1739   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1740   do {
1741     if (LHS->getType()->isIntegerTy())
1742       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1743     else
1744       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1745   } while (!Ops.empty());
1746
1747   return LHS;
1748 }
1749
1750 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1751 ///
1752 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1753 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1754 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1755 /// value.
1756 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1757                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1758   assert(Factors[0].Power);
1759   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1760   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1761        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1762     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1763       LastIdx = Idx;
1764       continue;
1765     }
1766
1767     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1768     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1769     // for that.
1770     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1771     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1772     do {
1773       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1774       ++Idx;
1775     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1776
1777     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1778     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1779     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1780     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1781       RedoInsts.insert(MI);
1782
1783     LastIdx = Idx;
1784   }
1785   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1786   // base.
1787   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1788                             Factor::PowerEqual()),
1789                 Factors.end());
1790
1791   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1792   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1793   // expression.
1794   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1795     if (Factors[Idx].Power & 1)
1796       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1797     Factors[Idx].Power >>= 1;
1798   }
1799   if (Factors[0].Power) {
1800     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1801     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1802     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1803   }
1804   if (OuterProduct.size() == 1)
1805     return OuterProduct.front();
1806
1807   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1808   return V;
1809 }
1810
1811 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1812                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1813   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1814   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1815   if (Ops.size() < 4)
1816     return nullptr;
1817
1818   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1819   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1820   // re-use.
1821   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1822   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1823     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1824
1825   IRBuilder<> Builder(I);
1826   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1827   if (Ops.empty())
1828     return V;
1829
1830   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1831   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1832   return nullptr;
1833 }
1834
1835 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1836                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1837   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1838   // Start by folding any constants that we found.
1839   Constant *Cst = nullptr;
1840   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1841   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1842     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1843     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1844   }
1845   // If there was nothing but constants then we are done.
1846   if (Ops.empty())
1847     return Cst;
1848
1849   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1850   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1851   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1852   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1853     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1854       return Cst;
1855     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1856   }
1857
1858   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1859
1860   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1861   // argument list here.
1862   unsigned NumOps = Ops.size();
1863   switch (Opcode) {
1864   default: break;
1865   case Instruction::And:
1866   case Instruction::Or:
1867     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1868       return Result;
1869     break;
1870
1871   case Instruction::Xor:
1872     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1873       return Result;
1874     break;
1875
1876   case Instruction::Add:
1877   case Instruction::FAdd:
1878     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1879       return Result;
1880     break;
1881
1882   case Instruction::Mul:
1883   case Instruction::FMul:
1884     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1885       return Result;
1886     break;
1887   }
1888
1889   if (Ops.size() != NumOps)
1890     return OptimizeExpression(I, Ops);
1891   return nullptr;
1892 }
1893
1894 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1895 /// work list.
1896 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1897   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1898   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1899   // Erase the dead instruction.
1900   ValueRankMap.erase(I);
1901   RedoInsts.remove(I);
1902   I->eraseFromParent();
1903   // Optimize its operands.
1904   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1905   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1906     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1907       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1908       // and add that since that's where optimization actually happens.
1909       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1910       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1911              Visited.insert(Op))
1912         Op = Op->user_back();
1913       RedoInsts.insert(Op);
1914     }
1915 }
1916
1917 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
1918 /// instructions is not allowed.
1919 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
1920   // Only consider operations that we understand.
1921   if (!isa<BinaryOperator>(I))
1922     return;
1923
1924   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1925     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
1926     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
1927     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
1928         (I->hasOneUse() &&
1929          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
1930           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
1931       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
1932       RedoInsts.insert(I);
1933       MadeChange = true;
1934       I = NI;
1935     }
1936
1937   // Commute floating point binary operators, to canonicalize the order of their
1938   // operands.  This can potentially expose more CSE opportunities, and makes
1939   // writing other transformations simpler.
1940   if (I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy()) {
1941
1942     // FAdd and FMul can be commuted.
1943     if (I->getOpcode() == Instruction::FMul ||
1944         I->getOpcode() == Instruction::FAdd) {
1945       Value *LHS = I->getOperand(0);
1946       Value *RHS = I->getOperand(1);
1947       unsigned LHSRank = getRank(LHS);
1948       unsigned RHSRank = getRank(RHS);
1949
1950       // Sort the operands by rank.
1951       if (RHSRank < LHSRank) {
1952         I->setOperand(0, RHS);
1953         I->setOperand(1, LHS);
1954       }
1955     }
1956
1957     // FIXME: We should commute vector instructions as well.  However, this 
1958     // requires further analysis to determine the effect on later passes.
1959
1960     // Don't try to optimize vector instructions or anything that doesn't have
1961     // unsafe algebra.
1962     if (I->getType()->isVectorTy() || !I->hasUnsafeAlgebra())
1963       return;
1964   }
1965
1966   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
1967   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
1968   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
1969   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
1970   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
1971   // optimized for the most likely conditions.
1972   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
1973     return;
1974
1975   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
1976   // see if we can convert it to X+-Y.
1977   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
1978     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
1979       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
1980       RedoInsts.insert(I);
1981       MadeChange = true;
1982       I = NI;
1983     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
1984       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1985       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1986       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1987           (!I->hasOneUse() ||
1988            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
1989         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
1990         RedoInsts.insert(I);
1991         MadeChange = true;
1992         I = NI;
1993       }
1994     }
1995   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
1996     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
1997       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
1998       RedoInsts.insert(I);
1999       MadeChange = true;
2000       I = NI;
2001     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2002       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2003       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2004       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2005           (!I->hasOneUse() ||
2006            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2007         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2008         RedoInsts.insert(I);
2009         MadeChange = true;
2010         I = NI;
2011       }
2012     }
2013   }
2014
2015   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2016   if (!I->isAssociative()) return;
2017   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2018
2019   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2020   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2021   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2022   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2023     return;
2024
2025   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2026   // until we process the subtract.
2027   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2028       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2029     return;
2030   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2031       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2032     return;
2033
2034   ReassociateExpression(BO);
2035 }
2036
2037 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2038   assert(!I->getType()->isVectorTy() &&
2039          "Reassociation of vector instructions is not supported.");
2040
2041   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2042   // operand information.
2043   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2044   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2045   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2046   Ops.reserve(Tree.size());
2047   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2048     RepeatedValue E = Tree[i];
2049     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2050                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2051   }
2052
2053   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2054
2055   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2056   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2057   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2058   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2059   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2060   // the vector.
2061   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2062
2063   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
2064   // sorted form, optimize it globally if possible.
2065   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2066     if (V == I)
2067       // Self-referential expression in unreachable code.
2068       return;
2069     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2070     // eliminate it.
2071     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2072     I->replaceAllUsesWith(V);
2073     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2074       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2075     RedoInsts.insert(I);
2076     ++NumAnnihil;
2077     return;
2078   }
2079
2080   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2081   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2082   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2083   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2084   if (I->hasOneUse()) {
2085     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2086         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2087         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2088         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2089       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2090       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2091     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2092                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2093                    Instruction::FAdd &&
2094                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2095                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2096       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2097       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2098     }
2099   }
2100
2101   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2102
2103   if (Ops.size() == 1) {
2104     if (Ops[0].Op == I)
2105       // Self-referential expression in unreachable code.
2106       return;
2107
2108     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2109     // eliminate it.
2110     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2111     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2112       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2113     RedoInsts.insert(I);
2114     return;
2115   }
2116
2117   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2118   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2119   RewriteExprTree(I, Ops);
2120 }
2121
2122 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2123   if (skipOptnoneFunction(F))
2124     return false;
2125
2126   // Calculate the rank map for F
2127   BuildRankMap(F);
2128
2129   MadeChange = false;
2130   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2131     // Optimize every instruction in the basic block.
2132     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2133       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2134         EraseInst(II++);
2135       } else {
2136         OptimizeInst(II);
2137         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2138         ++II;
2139       }
2140
2141     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2142     while (!RedoInsts.empty()) {
2143       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2144       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2145         EraseInst(I);
2146       else
2147         OptimizeInst(I);
2148     }
2149   }
2150
2151   // We are done with the rank map.
2152   RankMap.clear();
2153   ValueRankMap.clear();
2154
2155   return MadeChange;
2156 }