[Reassociate] Canonicalize negative constants out of expressions.
[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     Instruction *canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I);
198   };
199 }
200
201 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
202   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
203   OrigVal = V;
204   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
205   SymbolicRank = 0;
206
207   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
208             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
209     Value *V0 = I->getOperand(0);
210     Value *V1 = I->getOperand(1);
211     if (isa<ConstantInt>(V0))
212       std::swap(V0, V1);
213
214     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
215       ConstPart = C->getValue();
216       SymbolicPart = V0;
217       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
218       return;
219     }
220   }
221
222   // view the operand as "V | 0"
223   SymbolicPart = V;
224   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
225   isOr = true;
226 }
227
228 char Reassociate::ID = 0;
229 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
230                 "Reassociate expressions", false, false)
231
232 // Public interface to the Reassociate pass
233 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
234
235 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
236 /// opcode and if it only has one use.
237 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
238   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
239       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
240     return cast<BinaryOperator>(V);
241   return nullptr;
242 }
243
244 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
245                                         unsigned Opcode2) {
246   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
247       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
248        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2))
249     return cast<BinaryOperator>(V);
250   return nullptr;
251 }
252
253 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
254   switch (I->getOpcode()) {
255   case Instruction::PHI:
256   case Instruction::LandingPad:
257   case Instruction::Alloca:
258   case Instruction::Load:
259   case Instruction::Invoke:
260   case Instruction::UDiv:
261   case Instruction::SDiv:
262   case Instruction::FDiv:
263   case Instruction::URem:
264   case Instruction::SRem:
265   case Instruction::FRem:
266     return true;
267   case Instruction::Call:
268     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
269   default:
270     return false;
271   }
272 }
273
274 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
275   unsigned i = 2;
276
277   // Assign distinct ranks to function arguments
278   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
279     ValueRankMap[&*I] = ++i;
280
281   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
282   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
283          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
284     BasicBlock *BB = *I;
285     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
286
287     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
288     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
289     // all different in the block.
290     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
291       if (isUnmovableInstruction(I))
292         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
293   }
294 }
295
296 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
297   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
298   if (!I) {
299     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
300     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
301   }
302
303   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
304     return Rank;    // Rank already known?
305
306   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
307   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
308   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
309   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
310   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
311   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
312        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
313     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
314
315   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
316   // assures us that X and ~X will have the same rank.
317   Type *Ty = V->getType();
318   if ((!Ty->isIntegerTy() && !Ty->isFloatingPointTy()) ||
319       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
320        !BinaryOperator::isFNeg(I)))
321     ++Rank;
322
323   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
324   //     << Rank << "\n");
325
326   return ValueRankMap[I] = Rank;
327 }
328
329 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
330                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
331   if (S1->getType()->isIntegerTy())
332     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
333   else {
334     BinaryOperator *Res =
335         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
336     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
337     return Res;
338   }
339 }
340
341 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
342                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
343   if (S1->getType()->isIntegerTy())
344     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
345   else {
346     BinaryOperator *Res =
347       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
348     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
349     return Res;
350   }
351 }
352
353 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
354                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
355   if (S1->getType()->isIntegerTy())
356     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
357   else {
358     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
359     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
360     return Res;
361   }
362 }
363
364 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
365 ///
366 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
367   Type *Ty = Neg->getType();
368   Constant *NegOne = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)
369                                        : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
370
371   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
372   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
373   Res->takeName(Neg);
374   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
375   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
376   return Res;
377 }
378
379 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
380 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
381 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
382 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
383 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
384 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
385   if (Bitwidth < 3)
386     return Bitwidth - 1;
387   return Bitwidth - 2;
388 }
389
390 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
391 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
392 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
393 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
394 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
395 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
396 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
397 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
398   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
399   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
400   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
401   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
402   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
403   // weight back into range if wrapping would be wrong.
404
405   // If RHS is zero then the weight didn't change.
406   if (RHS.isMinValue())
407     return;
408   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
409   if (LHS.isMinValue()) {
410     LHS = RHS;
411     return;
412   }
413   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
414
415   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
416     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
417     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
418     // not a problem.
419     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
420     return; // Return a weight of 1.
421   }
422   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
423     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
424     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
425     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
426     return;
427   }
428   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
429     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
430     LHS += RHS;
431     return;
432   }
433
434   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
435          "Unknown associative operation!");
436   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
437   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
438   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
439   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
440   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
441   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
442   // which by a happy accident means that they can always be represented using
443   // Bitwidth bits.
444   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
445   // the Carmichael number).
446   if (Bitwidth > 3) {
447     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
448     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
449     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
450     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
451     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
452     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
453     LHS += RHS;
454     while (LHS.uge(Threshold))
455       LHS -= CM;
456   } else {
457     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
458     // a larger type.
459     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
460     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
461     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
462            "Weights not reduced!");
463     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
464     while (Total >= Threshold)
465       Total -= CM;
466     LHS = Total;
467   }
468 }
469
470 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
471
472 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
473 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
474 /// original expression is the same as
475 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
476 /// op
477 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
478 /// op
479 ///   ...
480 /// op
481 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
482 ///
483 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
484 ///
485 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
486 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
487 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
488 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
489 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
490 ///
491 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
492 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
493 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
494 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
495 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
496 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
497 /// use is a non-leaf node of the expression.
498 ///
499 /// For example:
500 ///           expression graph        node names
501 ///
502 ///                     +        |        I
503 ///                    / \       |
504 ///                   +   +      |      A,  B
505 ///                  / \ / \     |
506 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
507 ///                / \ / \ / \   |
508 ///                   +   *      |      F,  G
509 ///
510 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
511 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
512 ///
513 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
514 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
515 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
516 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
517 ///
518 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
519 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
520 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
521 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
522 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
523 /// made a change by returning 'true'.
524 ///
525 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
526 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
527 ///
528 ///                     +        |        I
529 ///                    / \       |
530 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
531 ///                  / \   \     |
532 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
533 ///                / \ / \ / \   |
534 ///                   +   *      |      F,  G
535 ///
536 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
537 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
538 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
539 /// which requires passing through a phi node.
540 ///
541 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
542 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
543 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
544 /// type and thus make the expression bigger.
545
546 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
547                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
548   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
549   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
550   unsigned Opcode = I->getOpcode();
551   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
552          "Expected an associative and commutative operation!");
553
554   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
555   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
556   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
557   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
558   // while A has weight two.
559
560   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
561   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
562   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
563   // ways to get to it.
564   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
565   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
566   bool MadeChange = false;
567
568   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
569   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
570   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
571   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
572   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
573   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
574   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
575   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
576   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
577   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
578   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
579   // are explored.
580
581   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
582   // paths to each leaf seen so far.
583   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
584   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
585   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
586
587 #ifndef NDEBUG
588   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
589 #endif
590   while (!Worklist.empty()) {
591     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
592     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
593
594     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
595       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
596       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
597       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
598       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
599
600       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
601       // add its operands to the expression.
602       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
603         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
604         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
605         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
606         continue;
607       }
608
609       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
610       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
611       if (It == Leaves.end()) {
612         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
613         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
614         if (!Op->hasOneUse()) {
615           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
616           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
617           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
618           LeafOrder.push_back(Op);
619           Leaves[Op] = Weight;
620           continue;
621         }
622         // No uses outside the expression, try morphing it.
623       } else if (It != Leaves.end()) {
624         // Already in the leaf map.
625         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
626
627         // Update the number of paths to the leaf.
628         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
629
630 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
631         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
632         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
633         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
634         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
635         MadeChange = true;
636
637         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
638         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
639         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
640         // its operands to the expression.
641         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
642           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
643           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
644           Leaves.erase(It);
645           continue;
646         }
647 #endif
648
649         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
650         // then it is not safe to modify the value.
651         if (!Op->hasOneUse())
652           continue;
653
654         // No uses outside the expression, try morphing it.
655         Weight = It->second;
656         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
657       }
658
659       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
660       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
661       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
662       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
663       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
664               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
665              "Should have been handled above!");
666       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
667
668       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
669       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
670       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
671         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
672             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
673           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
674           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
675           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
676           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
677           MadeChange = true;
678           continue;
679         }
680
681       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
682       // a leaf.
683       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
684       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
685       LeafOrder.push_back(Op);
686       Leaves[Op] = Weight;
687     }
688   }
689
690   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
691   // form of the expression.
692   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
693     Value *V = LeafOrder[i];
694     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
695     if (It == Leaves.end())
696       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
697       continue;
698     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
699     APInt Weight = It->second;
700     if (Weight.isMinValue())
701       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
702       continue;
703     // Ensure the leaf is only output once.
704     It->second = 0;
705     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
706   }
707
708   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
709   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
710   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
711   if (Ops.empty()) {
712     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
713     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
714     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
715   }
716
717   return MadeChange;
718 }
719
720 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
721 // linearized and optimized, emit them in-order.
722 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
723                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
724   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
725
726   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
727   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
728   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
729   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
730   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
731   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
732   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
733   // nsw flags.
734
735   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
736   /// the new expression into.
737   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
738   unsigned Opcode = I->getOpcode();
739   BinaryOperator *Op = I;
740
741   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
742   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
743   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
744   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
745   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
746   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
747   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
748   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
749   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
750   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
751   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
752   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
753     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
754
755   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
756   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
757   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
758   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
759   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
760     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
761     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
762     // a subexpression.
763     if (i+2 == Ops.size()) {
764       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
765       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
766       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
767       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
768
769       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
770         // Nothing changed, leave it alone.
771         break;
772
773       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
774         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
775         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
776         Op->swapOperands();
777         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
778         MadeChange = true;
779         ++NumChanged;
780         break;
781       }
782
783       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
784       // the old operands with the new ones.
785       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
786       if (NewLHS != OldLHS) {
787         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
788         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
789           NodesToRewrite.push_back(BO);
790         Op->setOperand(0, NewLHS);
791       }
792       if (NewRHS != OldRHS) {
793         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
794         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
795           NodesToRewrite.push_back(BO);
796         Op->setOperand(1, NewRHS);
797       }
798       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
799
800       ExpressionChanged = Op;
801       MadeChange = true;
802       ++NumChanged;
803
804       break;
805     }
806
807     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
808     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
809     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
810     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
811       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
812       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
813         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
814         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
815         Op->swapOperands();
816       } else {
817         // Overwrite with the new right-hand side.
818         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
819         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
820           NodesToRewrite.push_back(BO);
821         Op->setOperand(1, NewRHS);
822         ExpressionChanged = Op;
823       }
824       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
825       MadeChange = true;
826       ++NumChanged;
827     }
828
829     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
830     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
831     // into it.
832     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
833     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
834       Op = BO;
835       continue;
836     }
837
838     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
839     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
840     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
841     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
842     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
843     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
844     // stupid, create a new node if there are none left.
845     BinaryOperator *NewOp;
846     if (NodesToRewrite.empty()) {
847       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
848       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
849                                      Undef, Undef, "", I);
850       if (NewOp->getType()->isFloatingPointTy())
851         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
852     } else {
853       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
854     }
855
856     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
857     Op->setOperand(0, NewOp);
858     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
859     ExpressionChanged = Op;
860     MadeChange = true;
861     ++NumChanged;
862     Op = NewOp;
863   }
864
865   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
866   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
867   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
868   // expression tree is dominated by all of Ops.
869   if (ExpressionChanged)
870     do {
871       // Preserve FastMathFlags.
872       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
873         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
874         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
875         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
876       } else
877         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
878
879       if (ExpressionChanged == I)
880         break;
881       ExpressionChanged->moveBefore(I);
882       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
883     } while (1);
884
885   // Throw away any left over nodes from the original expression.
886   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
887     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
888 }
889
890 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
891 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
892 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
893 /// that should be processed next by the reassociation pass.
894 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
895   if (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V))
896     return ConstantExpr::getFNeg(C);
897   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
898     return ConstantExpr::getNeg(C);
899
900   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
901   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
902   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
903   // this means that we turn this:
904   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
905   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
906   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
907   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
908   //
909   if (BinaryOperator *I =
910           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
911     // Push the negates through the add.
912     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
913     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
914
915     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
916     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
917     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
918     // instruction we are about to insert after them.
919     //
920     I->moveBefore(BI);
921     I->setName(I->getName()+".neg");
922     return I;
923   }
924
925   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
926   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
927   for (User *U : V->users()) {
928     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
929       continue;
930
931     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
932     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
933     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
934     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
935     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
936
937     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
938     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
939       continue;
940
941     BasicBlock::iterator InsertPt;
942     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
943       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
944         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
945       } else {
946         InsertPt = InstInput;
947         ++InsertPt;
948       }
949       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
950     } else {
951       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
952     }
953     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
954     return TheNeg;
955   }
956
957   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
958   // negation.
959   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
960 }
961
962 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
963 /// X-Y into (X + -Y).
964 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
965   // If this is a negation, we can't split it up!
966   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
967     return false;
968
969   // Don't breakup X - undef.
970   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
971     return false;
972
973   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
974   // subtract or if this is only used by one.
975   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
976   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
977       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
978     return true;
979   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
980   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
981       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
982     return true;
983   Value *VB = Sub->user_back();
984   if (Sub->hasOneUse() &&
985       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
986        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
987     return true;
988
989   return false;
990 }
991
992 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
993 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
994 /// reassociation.
995 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
996   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
997   // instructions to be commuted with other add instructions.
998   //
999   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1000   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1001   //
1002   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1003   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1004   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1005   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1006   New->takeName(Sub);
1007
1008   // Everyone now refers to the add instruction.
1009   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1010   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1011
1012   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1013   return New;
1014 }
1015
1016 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
1017 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
1018 /// reassociation.
1019 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1020   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1021   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1022
1023   BinaryOperator *Mul =
1024     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1025   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1026   Mul->takeName(Shl);
1027   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1028   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1029   return Mul;
1030 }
1031
1032 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
1033 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
1034 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
1035 /// same rank.
1036 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1037                                   Value *X) {
1038   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1039   unsigned e = Ops.size();
1040   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1041     if (Ops[j].Op == X)
1042       return j;
1043     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1044       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1045         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1046           return j;
1047   }
1048   // Scan backwards.
1049   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1050     if (Ops[j].Op == X)
1051       return j;
1052     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1053       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1054         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1055           return j;
1056   }
1057   return i;
1058 }
1059
1060 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1061 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1062 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1063                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1064   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1065
1066   Value *V1 = Ops.back();
1067   Ops.pop_back();
1068   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1069   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1070 }
1071
1072 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
1073 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
1074 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1075 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1076   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1077   if (!BO)
1078     return nullptr;
1079
1080   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1081   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1082   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1083   Factors.reserve(Tree.size());
1084   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1085     RepeatedValue E = Tree[i];
1086     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1087                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1088   }
1089
1090   bool FoundFactor = false;
1091   bool NeedsNegate = false;
1092   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1093     if (Factors[i].Op == Factor) {
1094       FoundFactor = true;
1095       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1096       break;
1097     }
1098
1099     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1100     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1101       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1102         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1103           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1104           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1105           break;
1106         }
1107     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1108       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1109         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1110         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1111         F2.changeSign();
1112         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1113           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1114           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1115           break;
1116         }
1117       }
1118     }
1119   }
1120
1121   if (!FoundFactor) {
1122     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1123     RewriteExprTree(BO, Factors);
1124     return nullptr;
1125   }
1126
1127   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1128
1129   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1130   // remaining operand.
1131   if (Factors.size() == 1) {
1132     RedoInsts.insert(BO);
1133     V = Factors[0].Op;
1134   } else {
1135     RewriteExprTree(BO, Factors);
1136     V = BO;
1137   }
1138
1139   if (NeedsNegate)
1140     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1141
1142   return V;
1143 }
1144
1145 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1146 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1147 ///
1148 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1149 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1150                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1151                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1152   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1153   if (!BO) {
1154     Factors.push_back(V);
1155     return;
1156   }
1157
1158   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1159   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1160   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1161 }
1162
1163 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1164 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1165 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1166 /// necessary.
1167 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1168                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1169   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1170   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1171   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1172     // First, check for X and ~X in the operand list.
1173     assert(i < Ops.size());
1174     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1175       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1176       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1177       if (FoundX != i) {
1178         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1179           return Constant::getNullValue(X->getType());
1180
1181         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1182           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1183       }
1184     }
1185
1186     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1187     // each other, due to our sorting criteria.
1188     assert(i < Ops.size());
1189     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1190       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1191         // Drop duplicate values for And and Or.
1192         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1193         --i; --e;
1194         ++NumAnnihil;
1195         continue;
1196       }
1197
1198       // Drop pairs of values for Xor.
1199       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1200       if (e == 2)
1201         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1202
1203       // Y ^ X^X -> Y
1204       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1205       i -= 1; e -= 2;
1206       ++NumAnnihil;
1207     }
1208   }
1209   return nullptr;
1210 }
1211
1212 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1213 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1214 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1215 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1216 /// be returned.
1217 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1218                              const APInt &ConstOpnd) {
1219   if (ConstOpnd != 0) {
1220     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1221       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1222       Instruction *I;
1223       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1224                                     "and.ra", InsertBefore);
1225       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1226       return I;
1227     }
1228     return Opnd;
1229   }
1230   return nullptr;
1231 }
1232
1233 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1234 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1235 //
1236 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1237 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1238 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1239 //  
1240 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1241                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1242   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1243   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1244   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1245   // It is useful only when c1 == c2.
1246   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1247     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1248       return false;
1249
1250     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1251     if (C1 != ConstOpnd)
1252       return false;
1253
1254     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1255     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1256     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1257     ConstOpnd ^= C1;
1258
1259     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1260       RedoInsts.insert(T);
1261     return true;
1262   }
1263   return false;
1264 }
1265
1266                            
1267 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1268 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1269 // symbolic value. 
1270 // 
1271 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1272 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1273 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1274 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1275 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1276                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1277   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1278   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1279     return false;
1280
1281   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1282   int DeadInstNum = 1;
1283   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1284     DeadInstNum++;
1285   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1286     DeadInstNum++;
1287
1288   // Xor-Rule 2:
1289   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1290   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1291   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1292   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1293   //
1294   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1295     if (Opnd2->isOrExpr())
1296       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1297
1298     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1299     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1300     APInt C3((~C1) ^ C2);
1301
1302     // Do not increase code size!
1303     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1304       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1305       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1306         return false;
1307     }
1308
1309     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1310     ConstOpnd ^= C1;
1311
1312   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1313     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1314     //
1315     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1316     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1317     APInt C3 = C1 ^ C2;
1318     
1319     // Do not increase code size
1320     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1321       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1322       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1323         return false;
1324     }
1325
1326     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1327     ConstOpnd ^= C3;
1328   } else {
1329     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1330     //
1331     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1332     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1333     APInt C3 = C1 ^ C2;
1334     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1335   }
1336
1337   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1338   // as dead code.
1339   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1340     RedoInsts.insert(T);
1341   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1342     RedoInsts.insert(T);
1343
1344   return true;
1345 }
1346
1347 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1348 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1349 /// necessary.
1350 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1351                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1352   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1353     return V;
1354       
1355   if (Ops.size() == 1)
1356     return nullptr;
1357
1358   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1359   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1360   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1361   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1362
1363   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1364   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1365     Value *V = Ops[i].Op;
1366     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1367       XorOpnd O(V);
1368       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1369       Opnds.push_back(O);
1370     } else
1371       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1372   }
1373
1374   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1375   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1376   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1377   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1378   //  when new elements are added to the vector.
1379   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1380     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1381
1382   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1383   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1384   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1385   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1386   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1387
1388   // Step 3: Combine adjacent operands
1389   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1390   bool Changed = false;
1391   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1392     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1393     // The combined value
1394     Value *CV;
1395
1396     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1397     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1398       Changed = true;
1399       if (CV)
1400         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1401       else {
1402         CurrOpnd->Invalidate();
1403         continue;
1404       }
1405     }
1406
1407     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1408       PrevOpnd = CurrOpnd;
1409       continue;
1410     }
1411
1412     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1413     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1414     //    
1415     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1416       // Remove previous operand
1417       PrevOpnd->Invalidate();
1418       if (CV) {
1419         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1420         PrevOpnd = CurrOpnd;
1421       } else {
1422         CurrOpnd->Invalidate();
1423         PrevOpnd = nullptr;
1424       }
1425       Changed = true;
1426     }
1427   }
1428
1429   // Step 4: Reassemble the Ops
1430   if (Changed) {
1431     Ops.clear();
1432     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1433       XorOpnd &O = Opnds[i];
1434       if (O.isInvalid())
1435         continue;
1436       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1437       Ops.push_back(VE);
1438     }
1439     if (ConstOpnd != 0) {
1440       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1441       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1442       Ops.push_back(VE);
1443     }
1444     int Sz = Ops.size();
1445     if (Sz == 1)
1446       return Ops.back().Op;
1447     else if (Sz == 0) {
1448       assert(ConstOpnd == 0);
1449       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1450     }
1451   }
1452
1453   return nullptr;
1454 }
1455
1456 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1457 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1458 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1459 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1460                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1461   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1462   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1463   // scan for any
1464   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1465
1466   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1467     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1468     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1469     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1470     // that these need to be next to each other in the vector.
1471     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1472       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1473       unsigned NumFound = 0;
1474       do {
1475         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1476         ++NumFound;
1477       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1478
1479       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1480       ++NumFactor;
1481
1482       // Insert a new multiply.
1483       Type *Ty = TheOp->getType();
1484       Constant *C = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::get(Ty, NumFound)
1485                                       : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1486       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1487
1488       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1489       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1490       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1491       RedoInsts.insert(Mul);
1492
1493       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1494       if (Ops.empty())
1495         return Mul;
1496
1497       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1498       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1499       // things being added by this operation.
1500       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1501
1502       --i;
1503       e = Ops.size();
1504       continue;
1505     }
1506
1507     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1508     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1509         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1510       continue;
1511
1512     Value *X = nullptr;
1513     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1514       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1515     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1516       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1517
1518     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1519     if (FoundX == i)
1520       continue;
1521
1522     // Remove X and -X from the operand list.
1523     if (Ops.size() == 2 &&
1524         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1525       return Constant::getNullValue(X->getType());
1526
1527     // Remove X and ~X from the operand list.
1528     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1529       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1530
1531     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1532     if (i < FoundX)
1533       --FoundX;
1534     else
1535       --i;   // Need to back up an extra one.
1536     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1537     ++NumAnnihil;
1538     --i;     // Revisit element.
1539     e -= 2;  // Removed two elements.
1540
1541     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1542     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1543       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1544       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1545       e += 1;
1546     }
1547   }
1548
1549   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1550   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1551   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1552   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1553   // for any ADD operands that are MULs.
1554   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1555
1556   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1557   // where they are actually the same multiply.
1558   unsigned MaxOcc = 0;
1559   Value *MaxOccVal = nullptr;
1560   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1561     BinaryOperator *BOp =
1562         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1563     if (!BOp)
1564       continue;
1565
1566     // Compute all of the factors of this added value.
1567     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1568     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1569     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1570
1571     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1572     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1573     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1574       Value *Factor = Factors[i];
1575       if (!Duplicates.insert(Factor))
1576         continue;
1577
1578       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1579       if (Occ > MaxOcc) {
1580         MaxOcc = Occ;
1581         MaxOccVal = Factor;
1582       }
1583
1584       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1585       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1586       // cannot be positivified.
1587       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1588         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1589           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1590           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1591                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1592           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1593           if (Occ > MaxOcc) {
1594             MaxOcc = Occ;
1595             MaxOccVal = Factor;
1596           }
1597         }
1598       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1599         if (CF->isNegative()) {
1600           APFloat F(CF->getValueAPF());
1601           F.changeSign();
1602           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1603           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1604                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1605           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1606           if (Occ > MaxOcc) {
1607             MaxOcc = Occ;
1608             MaxOccVal = Factor;
1609           }
1610         }
1611       }
1612     }
1613   }
1614
1615   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1616   if (MaxOcc > 1) {
1617     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1618     ++NumFactor;
1619
1620     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1621     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1622     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1623     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1624     Instruction *DummyInst =
1625         I->getType()->isIntegerTy()
1626             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1627             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1628
1629     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1630     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1631       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1632       BinaryOperator *BOp =
1633           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1634       if (!BOp)
1635         continue;
1636
1637       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1638         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1639         // one fell swoop.
1640         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1641           --j;
1642           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1643             NewMulOps.push_back(V);
1644             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1645           }
1646         }
1647         --i;
1648       }
1649     }
1650
1651     // No need for extra uses anymore.
1652     delete DummyInst;
1653
1654     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1655     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1656
1657     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1658     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1659     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1660     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1661     (void)NumAddedValues;
1662     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1663       RedoInsts.insert(VI);
1664
1665     // Create the multiply.
1666     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1667
1668     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1669     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1670     RedoInsts.insert(V2);
1671
1672     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1673     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1674     if (Ops.empty())
1675       return V2;
1676
1677     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1678     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1679     // things being added by this operation.
1680     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1681   }
1682
1683   return nullptr;
1684 }
1685
1686 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1687 ///
1688 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1689 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1690 /// the order of descending power.
1691 ///
1692 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1693 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1694 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1695 ///
1696 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1697 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1698                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1699   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1700   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1701   unsigned FactorPowerSum = 0;
1702   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1703     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1704
1705     // Count the number of occurrences of this value.
1706     unsigned Count = 1;
1707     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1708       ++Count;
1709     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1710     if (Count > 1)
1711       FactorPowerSum += Count;
1712   }
1713
1714   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1715   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1716   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1717   // trying to simplify already minimal formations.
1718   if (FactorPowerSum < 4)
1719     return false;
1720
1721   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1722   FactorPowerSum = 0;
1723   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1724     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1725
1726     // Count the number of occurrences of this value.
1727     unsigned Count = 1;
1728     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1729       ++Count;
1730     if (Count == 1)
1731       continue;
1732     // Move an even number of occurrences to Factors.
1733     Count &= ~1U;
1734     Idx -= Count;
1735     FactorPowerSum += Count;
1736     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1737     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1738   }
1739
1740   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1741   // below our mininum of '4'.
1742   assert(FactorPowerSum >= 4);
1743
1744   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1745   return true;
1746 }
1747
1748 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1749 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1750                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1751   if (Ops.size() == 1)
1752     return Ops.back();
1753
1754   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1755   do {
1756     if (LHS->getType()->isIntegerTy())
1757       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1758     else
1759       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1760   } while (!Ops.empty());
1761
1762   return LHS;
1763 }
1764
1765 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1766 ///
1767 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1768 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1769 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1770 /// value.
1771 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1772                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1773   assert(Factors[0].Power);
1774   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1775   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1776        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1777     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1778       LastIdx = Idx;
1779       continue;
1780     }
1781
1782     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1783     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1784     // for that.
1785     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1786     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1787     do {
1788       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1789       ++Idx;
1790     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1791
1792     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1793     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1794     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1795     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1796       RedoInsts.insert(MI);
1797
1798     LastIdx = Idx;
1799   }
1800   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1801   // base.
1802   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1803                             Factor::PowerEqual()),
1804                 Factors.end());
1805
1806   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1807   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1808   // expression.
1809   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1810     if (Factors[Idx].Power & 1)
1811       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1812     Factors[Idx].Power >>= 1;
1813   }
1814   if (Factors[0].Power) {
1815     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1816     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1817     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1818   }
1819   if (OuterProduct.size() == 1)
1820     return OuterProduct.front();
1821
1822   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1823   return V;
1824 }
1825
1826 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1827                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1828   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1829   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1830   if (Ops.size() < 4)
1831     return nullptr;
1832
1833   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1834   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1835   // re-use.
1836   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1837   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1838     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1839
1840   IRBuilder<> Builder(I);
1841   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1842   if (Ops.empty())
1843     return V;
1844
1845   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1846   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1847   return nullptr;
1848 }
1849
1850 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1851                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1852   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1853   // Start by folding any constants that we found.
1854   Constant *Cst = nullptr;
1855   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1856   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1857     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1858     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1859   }
1860   // If there was nothing but constants then we are done.
1861   if (Ops.empty())
1862     return Cst;
1863
1864   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1865   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1866   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1867   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1868     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1869       return Cst;
1870     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1871   }
1872
1873   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1874
1875   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1876   // argument list here.
1877   unsigned NumOps = Ops.size();
1878   switch (Opcode) {
1879   default: break;
1880   case Instruction::And:
1881   case Instruction::Or:
1882     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1883       return Result;
1884     break;
1885
1886   case Instruction::Xor:
1887     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1888       return Result;
1889     break;
1890
1891   case Instruction::Add:
1892   case Instruction::FAdd:
1893     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1894       return Result;
1895     break;
1896
1897   case Instruction::Mul:
1898   case Instruction::FMul:
1899     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1900       return Result;
1901     break;
1902   }
1903
1904   if (Ops.size() != NumOps)
1905     return OptimizeExpression(I, Ops);
1906   return nullptr;
1907 }
1908
1909 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1910 /// work list.
1911 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1912   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1913   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1914   // Erase the dead instruction.
1915   ValueRankMap.erase(I);
1916   RedoInsts.remove(I);
1917   I->eraseFromParent();
1918   // Optimize its operands.
1919   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1920   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1921     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1922       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1923       // and add that since that's where optimization actually happens.
1924       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1925       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1926              Visited.insert(Op))
1927         Op = Op->user_back();
1928       RedoInsts.insert(Op);
1929     }
1930 }
1931
1932 // Canonicalize expressions of the following form:
1933 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1934 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1935 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1936   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1937     return nullptr;
1938
1939   // Must have at least one constant operand.
1940   Constant *C0 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(0));
1941   Constant *C1 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1));
1942   if (!C0 && !C1)
1943     return nullptr;
1944
1945   // Must be a negative ConstantInt or ConstantFP.
1946   Constant *C = C0 ? C0 : C1;
1947   unsigned ConstIdx = C0 ? 0 : 1;
1948   if (auto *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C)) {
1949     if (!CI->isNegative())
1950       return nullptr;
1951   } else if (auto *CF = dyn_cast<ConstantFP>(C)) {
1952     if (!CF->isNegative())
1953       return nullptr;
1954   } else
1955     return nullptr;
1956
1957   // User must be a binary operator with one or more uses.
1958   Instruction *User = I->user_back();
1959   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->getNumUses())
1960     return nullptr;
1961
1962   // Must be a binary operator with higher precedence that add/sub.
1963   switch(I->getOpcode()) {
1964   default:
1965     return nullptr;
1966   case Instruction::Mul:
1967   case Instruction::FMul:
1968   case Instruction::UDiv:
1969   case Instruction::SDiv:
1970   case Instruction::FDiv:
1971   case Instruction::URem:
1972   case Instruction::SRem:
1973   case Instruction::FRem:
1974    break;
1975   }
1976
1977   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
1978   if (UserOpcode != Instruction::Add && UserOpcode != Instruction::FAdd &&
1979       UserOpcode != Instruction::Sub && UserOpcode != Instruction::FSub)
1980     return nullptr;
1981
1982   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
1983   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
1984   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
1985     return nullptr;
1986
1987   // Change the sign of the constant.
1988   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C))
1989     I->setOperand(ConstIdx, ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue()));
1990   else {
1991     ConstantFP *CF = cast<ConstantFP>(C);
1992     APFloat Val = CF->getValueAPF();
1993     Val.changeSign();
1994     I->setOperand(ConstIdx, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
1995   }
1996
1997   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
1998   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
1999   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2000     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2001
2002   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2003   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2004   BinaryOperator *NI;
2005   switch(UserOpcode) {
2006   default:
2007     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2008   case Instruction::Add:
2009     NI = BinaryOperator::CreateSub(Op0, Op1);
2010     break;
2011   case Instruction::Sub:
2012     NI = BinaryOperator::CreateAdd(Op0, Op1);
2013     break;
2014   case Instruction::FAdd:
2015     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2016     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2017     break;
2018   case Instruction::FSub:
2019     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2020     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2021     break;
2022   }
2023
2024   NI->insertBefore(User);
2025   NI->setName(User->getName());
2026   User->replaceAllUsesWith(NI);
2027   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2028   RedoInsts.insert(I);
2029   MadeChange = true;
2030   return NI;
2031 }
2032
2033 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2034 /// instructions is not allowed.
2035 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2036   // Only consider operations that we understand.
2037   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2038     return;
2039
2040   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2041     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2042     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2043     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2044         (I->hasOneUse() &&
2045          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2046           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2047       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2048       RedoInsts.insert(I);
2049       MadeChange = true;
2050       I = NI;
2051     }
2052
2053   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2054   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2055     I = Res;
2056
2057   // Commute floating point binary operators, to canonicalize the order of their
2058   // operands.  This can potentially expose more CSE opportunities, and makes
2059   // writing other transformations simpler.
2060   if (I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy()) {
2061
2062     // FAdd and FMul can be commuted.
2063     unsigned Opcode = I->getOpcode();
2064     if (Opcode == Instruction::FMul || Opcode == Instruction::FAdd) {
2065       Value *LHS = I->getOperand(0);
2066       Value *RHS = I->getOperand(1);
2067       unsigned LHSRank = getRank(LHS);
2068       unsigned RHSRank = getRank(RHS);
2069
2070       // Sort the operands by rank.
2071       if (RHSRank < LHSRank) {
2072         I->setOperand(0, RHS);
2073         I->setOperand(1, LHS);
2074       }
2075     }
2076
2077     // FIXME: We should commute vector instructions as well.  However, this 
2078     // requires further analysis to determine the effect on later passes.
2079
2080     // Don't try to optimize vector instructions or anything that doesn't have
2081     // unsafe algebra.
2082     if (I->getType()->isVectorTy() || !I->hasUnsafeAlgebra())
2083       return;
2084   }
2085
2086   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2087   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2088   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2089   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2090   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2091   // optimized for the most likely conditions.
2092   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2093     return;
2094
2095   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2096   // see if we can convert it to X+-Y.
2097   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2098     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2099       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2100       RedoInsts.insert(I);
2101       MadeChange = true;
2102       I = NI;
2103     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2104       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2105       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2106       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2107           (!I->hasOneUse() ||
2108            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2109         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2110         RedoInsts.insert(I);
2111         MadeChange = true;
2112         I = NI;
2113       }
2114     }
2115   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2116     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2117       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2118       RedoInsts.insert(I);
2119       MadeChange = true;
2120       I = NI;
2121     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2122       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2123       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2124       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2125           (!I->hasOneUse() ||
2126            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2127         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2128         RedoInsts.insert(I);
2129         MadeChange = true;
2130         I = NI;
2131       }
2132     }
2133   }
2134
2135   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2136   if (!I->isAssociative()) return;
2137   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2138
2139   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2140   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2141   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2142   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2143     return;
2144
2145   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2146   // until we process the subtract.
2147   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2148       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2149     return;
2150   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2151       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2152     return;
2153
2154   ReassociateExpression(BO);
2155 }
2156
2157 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2158   assert(!I->getType()->isVectorTy() &&
2159          "Reassociation of vector instructions is not supported.");
2160
2161   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2162   // operand information.
2163   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2164   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2165   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2166   Ops.reserve(Tree.size());
2167   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2168     RepeatedValue E = Tree[i];
2169     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2170                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2171   }
2172
2173   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2174
2175   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2176   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2177   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2178   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2179   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2180   // the vector.
2181   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2182
2183   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
2184   // sorted form, optimize it globally if possible.
2185   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2186     if (V == I)
2187       // Self-referential expression in unreachable code.
2188       return;
2189     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2190     // eliminate it.
2191     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2192     I->replaceAllUsesWith(V);
2193     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2194       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2195     RedoInsts.insert(I);
2196     ++NumAnnihil;
2197     return;
2198   }
2199
2200   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2201   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2202   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2203   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2204   if (I->hasOneUse()) {
2205     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2206         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2207         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2208         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2209       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2210       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2211     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2212                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2213                    Instruction::FAdd &&
2214                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2215                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2216       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2217       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2218     }
2219   }
2220
2221   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2222
2223   if (Ops.size() == 1) {
2224     if (Ops[0].Op == I)
2225       // Self-referential expression in unreachable code.
2226       return;
2227
2228     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2229     // eliminate it.
2230     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2231     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2232       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2233     RedoInsts.insert(I);
2234     return;
2235   }
2236
2237   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2238   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2239   RewriteExprTree(I, Ops);
2240 }
2241
2242 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2243   if (skipOptnoneFunction(F))
2244     return false;
2245
2246   // Calculate the rank map for F
2247   BuildRankMap(F);
2248
2249   MadeChange = false;
2250   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2251     // Optimize every instruction in the basic block.
2252     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2253       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2254         EraseInst(II++);
2255       } else {
2256         OptimizeInst(II);
2257         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2258         ++II;
2259       }
2260
2261     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2262     while (!RedoInsts.empty()) {
2263       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2264       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2265         EraseInst(I);
2266       else
2267         OptimizeInst(I);
2268     }
2269   }
2270
2271   // We are done with the rank map.
2272   RankMap.clear();
2273   ValueRankMap.clear();
2274
2275   return MadeChange;
2276 }