[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       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
241        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
242     return cast<BinaryOperator>(V);
243   return nullptr;
244 }
245
246 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
247                                         unsigned Opcode2) {
248   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
249       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
250        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2) &&
251       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
252        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
253     return cast<BinaryOperator>(V);
254   return nullptr;
255 }
256
257 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
258   switch (I->getOpcode()) {
259   case Instruction::PHI:
260   case Instruction::LandingPad:
261   case Instruction::Alloca:
262   case Instruction::Load:
263   case Instruction::Invoke:
264   case Instruction::UDiv:
265   case Instruction::SDiv:
266   case Instruction::FDiv:
267   case Instruction::URem:
268   case Instruction::SRem:
269   case Instruction::FRem:
270     return true;
271   case Instruction::Call:
272     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
273   default:
274     return false;
275   }
276 }
277
278 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
279   unsigned i = 2;
280
281   // Assign distinct ranks to function arguments
282   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
283     ValueRankMap[&*I] = ++i;
284
285   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
286   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
287          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
288     BasicBlock *BB = *I;
289     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
290
291     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
292     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
293     // all different in the block.
294     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
295       if (isUnmovableInstruction(I))
296         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
297   }
298 }
299
300 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
301   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
302   if (!I) {
303     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
304     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
305   }
306
307   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
308     return Rank;    // Rank already known?
309
310   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
311   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
312   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
313   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
314   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
315   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
316        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
317     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
318
319   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
320   // assures us that X and ~X will have the same rank.
321   Type *Ty = V->getType();
322   if ((!Ty->isIntegerTy() && !Ty->isFloatingPointTy()) ||
323       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
324        !BinaryOperator::isFNeg(I)))
325     ++Rank;
326
327   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
328   //     << Rank << "\n");
329
330   return ValueRankMap[I] = Rank;
331 }
332
333 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
334                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
335   if (S1->getType()->isIntegerTy())
336     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
337   else {
338     BinaryOperator *Res =
339         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
340     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
341     return Res;
342   }
343 }
344
345 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
346                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
347   if (S1->getType()->isIntegerTy())
348     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
349   else {
350     BinaryOperator *Res =
351       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
352     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
353     return Res;
354   }
355 }
356
357 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
358                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
359   if (S1->getType()->isIntegerTy())
360     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
361   else {
362     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
363     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
364     return Res;
365   }
366 }
367
368 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
369 ///
370 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
371   Type *Ty = Neg->getType();
372   Constant *NegOne = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)
373                                        : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
374
375   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
376   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
377   Res->takeName(Neg);
378   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
379   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
380   return Res;
381 }
382
383 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
384 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
385 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
386 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
387 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
388 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
389   if (Bitwidth < 3)
390     return Bitwidth - 1;
391   return Bitwidth - 2;
392 }
393
394 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
395 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
396 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
397 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
398 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
399 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
400 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
401 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
402   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
403   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
404   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
405   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
406   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
407   // weight back into range if wrapping would be wrong.
408
409   // If RHS is zero then the weight didn't change.
410   if (RHS.isMinValue())
411     return;
412   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
413   if (LHS.isMinValue()) {
414     LHS = RHS;
415     return;
416   }
417   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
418
419   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
420     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
421     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
422     // not a problem.
423     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
424     return; // Return a weight of 1.
425   }
426   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
427     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
428     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
429     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
430     return;
431   }
432   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
433     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
434     LHS += RHS;
435     return;
436   }
437
438   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
439          "Unknown associative operation!");
440   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
441   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
442   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
443   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
444   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
445   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
446   // which by a happy accident means that they can always be represented using
447   // Bitwidth bits.
448   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
449   // the Carmichael number).
450   if (Bitwidth > 3) {
451     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
452     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
453     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
454     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
455     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
456     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
457     LHS += RHS;
458     while (LHS.uge(Threshold))
459       LHS -= CM;
460   } else {
461     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
462     // a larger type.
463     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
464     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
465     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
466            "Weights not reduced!");
467     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
468     while (Total >= Threshold)
469       Total -= CM;
470     LHS = Total;
471   }
472 }
473
474 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
475
476 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
477 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
478 /// original expression is the same as
479 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
480 /// op
481 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
482 /// op
483 ///   ...
484 /// op
485 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
486 ///
487 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
488 ///
489 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
490 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
491 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
492 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
493 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
494 ///
495 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
496 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
497 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
498 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
499 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
500 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
501 /// use is a non-leaf node of the expression.
502 ///
503 /// For example:
504 ///           expression graph        node names
505 ///
506 ///                     +        |        I
507 ///                    / \       |
508 ///                   +   +      |      A,  B
509 ///                  / \ / \     |
510 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
511 ///                / \ / \ / \   |
512 ///                   +   *      |      F,  G
513 ///
514 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
515 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
516 ///
517 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
518 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
519 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
520 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
521 ///
522 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
523 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
524 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
525 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
526 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
527 /// made a change by returning 'true'.
528 ///
529 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
530 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
531 ///
532 ///                     +        |        I
533 ///                    / \       |
534 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
535 ///                  / \   \     |
536 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
537 ///                / \ / \ / \   |
538 ///                   +   *      |      F,  G
539 ///
540 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
541 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
542 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
543 /// which requires passing through a phi node.
544 ///
545 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
546 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
547 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
548 /// type and thus make the expression bigger.
549
550 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
551                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
552   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
553   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
554   unsigned Opcode = I->getOpcode();
555   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
556          "Expected an associative and commutative operation!");
557
558   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
559   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
560   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
561   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
562   // while A has weight two.
563
564   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
565   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
566   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
567   // ways to get to it.
568   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
569   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
570   bool MadeChange = false;
571
572   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
573   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
574   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
575   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
576   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
577   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
578   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
579   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
580   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
581   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
582   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
583   // are explored.
584
585   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
586   // paths to each leaf seen so far.
587   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
588   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
589   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
590
591 #ifndef NDEBUG
592   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
593 #endif
594   while (!Worklist.empty()) {
595     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
596     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
597
598     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
599       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
600       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
601       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
602       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
603
604       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
605       // add its operands to the expression.
606       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
607         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
608         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
609         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
610         continue;
611       }
612
613       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
614       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
615       if (It == Leaves.end()) {
616         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
617         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
618         if (!Op->hasOneUse()) {
619           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
620           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
621           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
622           LeafOrder.push_back(Op);
623           Leaves[Op] = Weight;
624           continue;
625         }
626         // No uses outside the expression, try morphing it.
627       } else if (It != Leaves.end()) {
628         // Already in the leaf map.
629         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
630
631         // Update the number of paths to the leaf.
632         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
633
634 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
635         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
636         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
637         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
638         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
639         MadeChange = true;
640
641         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
642         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
643         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
644         // its operands to the expression.
645         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
646           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
647           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
648           Leaves.erase(It);
649           continue;
650         }
651 #endif
652
653         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
654         // then it is not safe to modify the value.
655         if (!Op->hasOneUse())
656           continue;
657
658         // No uses outside the expression, try morphing it.
659         Weight = It->second;
660         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
661       }
662
663       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
664       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
665       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
666       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
667       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
668               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
669               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
670                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
671              "Should have been handled above!");
672       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
673
674       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
675       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
676       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
677         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
678             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
679           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
680           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
681           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
682           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
683           MadeChange = true;
684           continue;
685         }
686
687       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
688       // a leaf.
689       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
690       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
691       LeafOrder.push_back(Op);
692       Leaves[Op] = Weight;
693     }
694   }
695
696   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
697   // form of the expression.
698   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
699     Value *V = LeafOrder[i];
700     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
701     if (It == Leaves.end())
702       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
703       continue;
704     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
705     APInt Weight = It->second;
706     if (Weight.isMinValue())
707       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
708       continue;
709     // Ensure the leaf is only output once.
710     It->second = 0;
711     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
712   }
713
714   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
715   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
716   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
717   if (Ops.empty()) {
718     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
719     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
720     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
721   }
722
723   return MadeChange;
724 }
725
726 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
727 // linearized and optimized, emit them in-order.
728 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
729                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
730   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
731
732   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
733   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
734   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
735   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
736   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
737   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
738   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
739   // nsw flags.
740
741   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
742   /// the new expression into.
743   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
744   unsigned Opcode = I->getOpcode();
745   BinaryOperator *Op = I;
746
747   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
748   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
749   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
750   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
751   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
752   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
753   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
754   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
755   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
756   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
757   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
758   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
759     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
760
761   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
762   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
763   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
764   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
765   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
766     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
767     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
768     // a subexpression.
769     if (i+2 == Ops.size()) {
770       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
771       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
772       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
773       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
774
775       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
776         // Nothing changed, leave it alone.
777         break;
778
779       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
780         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
781         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
782         Op->swapOperands();
783         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
784         MadeChange = true;
785         ++NumChanged;
786         break;
787       }
788
789       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
790       // the old operands with the new ones.
791       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
792       if (NewLHS != OldLHS) {
793         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
794         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
795           NodesToRewrite.push_back(BO);
796         Op->setOperand(0, NewLHS);
797       }
798       if (NewRHS != OldRHS) {
799         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
800         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
801           NodesToRewrite.push_back(BO);
802         Op->setOperand(1, NewRHS);
803       }
804       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
805
806       ExpressionChanged = Op;
807       MadeChange = true;
808       ++NumChanged;
809
810       break;
811     }
812
813     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
814     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
815     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
816     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
817       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
818       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
819         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
820         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
821         Op->swapOperands();
822       } else {
823         // Overwrite with the new right-hand side.
824         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
825         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
826           NodesToRewrite.push_back(BO);
827         Op->setOperand(1, NewRHS);
828         ExpressionChanged = Op;
829       }
830       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
831       MadeChange = true;
832       ++NumChanged;
833     }
834
835     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
836     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
837     // into it.
838     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
839     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
840       Op = BO;
841       continue;
842     }
843
844     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
845     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
846     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
847     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
848     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
849     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
850     // stupid, create a new node if there are none left.
851     BinaryOperator *NewOp;
852     if (NodesToRewrite.empty()) {
853       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
854       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
855                                      Undef, Undef, "", I);
856       if (NewOp->getType()->isFloatingPointTy())
857         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
858     } else {
859       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
860     }
861
862     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
863     Op->setOperand(0, NewOp);
864     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
865     ExpressionChanged = Op;
866     MadeChange = true;
867     ++NumChanged;
868     Op = NewOp;
869   }
870
871   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
872   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
873   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
874   // expression tree is dominated by all of Ops.
875   if (ExpressionChanged)
876     do {
877       // Preserve FastMathFlags.
878       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
879         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
880         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
881         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
882       } else
883         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
884
885       if (ExpressionChanged == I)
886         break;
887       ExpressionChanged->moveBefore(I);
888       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
889     } while (1);
890
891   // Throw away any left over nodes from the original expression.
892   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
893     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
894 }
895
896 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
897 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
898 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
899 /// that should be processed next by the reassociation pass.
900 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
901   if (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V))
902     return ConstantExpr::getFNeg(C);
903   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
904     return ConstantExpr::getNeg(C);
905
906   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
907   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
908   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
909   // this means that we turn this:
910   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
911   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
912   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
913   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
914   //
915   if (BinaryOperator *I =
916           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
917     // Push the negates through the add.
918     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
919     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
920
921     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
922     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
923     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
924     // instruction we are about to insert after them.
925     //
926     I->moveBefore(BI);
927     I->setName(I->getName()+".neg");
928     return I;
929   }
930
931   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
932   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
933   for (User *U : V->users()) {
934     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
935       continue;
936
937     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
938     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
939     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
940     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
941     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
942
943     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
944     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
945       continue;
946
947     BasicBlock::iterator InsertPt;
948     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
949       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
950         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
951       } else {
952         InsertPt = InstInput;
953         ++InsertPt;
954       }
955       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
956     } else {
957       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
958     }
959     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
960     return TheNeg;
961   }
962
963   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
964   // negation.
965   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
966 }
967
968 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
969 /// X-Y into (X + -Y).
970 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
971   // If this is a negation, we can't split it up!
972   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
973     return false;
974
975   // Don't breakup X - undef.
976   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
977     return false;
978
979   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
980   // subtract or if this is only used by one.
981   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
982   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
983       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
984     return true;
985   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
986   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
987       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
988     return true;
989   Value *VB = Sub->user_back();
990   if (Sub->hasOneUse() &&
991       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
992        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
993     return true;
994
995   return false;
996 }
997
998 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
999 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
1000 /// reassociation.
1001 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1002   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1003   // instructions to be commuted with other add instructions.
1004   //
1005   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1006   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1007   //
1008   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1009   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1010   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1011   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1012   New->takeName(Sub);
1013
1014   // Everyone now refers to the add instruction.
1015   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1016   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1017
1018   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1019   return New;
1020 }
1021
1022 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
1023 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
1024 /// reassociation.
1025 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1026   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1027   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1028
1029   BinaryOperator *Mul =
1030     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1031   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1032   Mul->takeName(Shl);
1033
1034   // Everyone now refers to the mul instruction.
1035   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1036   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1037
1038   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1039   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1040   // handling.
1041   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1042   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1043   if (NSW && NUW)
1044     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1045   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1046   return Mul;
1047 }
1048
1049 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
1050 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
1051 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
1052 /// same rank.
1053 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1054                                   Value *X) {
1055   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1056   unsigned e = Ops.size();
1057   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1058     if (Ops[j].Op == X)
1059       return j;
1060     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1061       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1062         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1063           return j;
1064   }
1065   // Scan backwards.
1066   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1067     if (Ops[j].Op == X)
1068       return j;
1069     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1070       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1071         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1072           return j;
1073   }
1074   return i;
1075 }
1076
1077 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1078 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1079 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1080                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1081   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1082
1083   Value *V1 = Ops.back();
1084   Ops.pop_back();
1085   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1086   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1087 }
1088
1089 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
1090 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
1091 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1092 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1093   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1094   if (!BO)
1095     return nullptr;
1096
1097   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1098   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1099   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1100   Factors.reserve(Tree.size());
1101   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1102     RepeatedValue E = Tree[i];
1103     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1104                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1105   }
1106
1107   bool FoundFactor = false;
1108   bool NeedsNegate = false;
1109   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1110     if (Factors[i].Op == Factor) {
1111       FoundFactor = true;
1112       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1113       break;
1114     }
1115
1116     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1117     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1118       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1119         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1120           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1121           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1122           break;
1123         }
1124     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1125       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1126         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1127         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1128         F2.changeSign();
1129         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1130           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1131           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1132           break;
1133         }
1134       }
1135     }
1136   }
1137
1138   if (!FoundFactor) {
1139     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1140     RewriteExprTree(BO, Factors);
1141     return nullptr;
1142   }
1143
1144   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1145
1146   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1147   // remaining operand.
1148   if (Factors.size() == 1) {
1149     RedoInsts.insert(BO);
1150     V = Factors[0].Op;
1151   } else {
1152     RewriteExprTree(BO, Factors);
1153     V = BO;
1154   }
1155
1156   if (NeedsNegate)
1157     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1158
1159   return V;
1160 }
1161
1162 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1163 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1164 ///
1165 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1166 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1167                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1168                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1169   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1170   if (!BO) {
1171     Factors.push_back(V);
1172     return;
1173   }
1174
1175   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1176   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1177   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1178 }
1179
1180 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1181 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1182 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1183 /// necessary.
1184 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1185                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1186   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1187   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1188   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1189     // First, check for X and ~X in the operand list.
1190     assert(i < Ops.size());
1191     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1192       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1193       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1194       if (FoundX != i) {
1195         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1196           return Constant::getNullValue(X->getType());
1197
1198         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1199           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1200       }
1201     }
1202
1203     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1204     // each other, due to our sorting criteria.
1205     assert(i < Ops.size());
1206     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1207       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1208         // Drop duplicate values for And and Or.
1209         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1210         --i; --e;
1211         ++NumAnnihil;
1212         continue;
1213       }
1214
1215       // Drop pairs of values for Xor.
1216       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1217       if (e == 2)
1218         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1219
1220       // Y ^ X^X -> Y
1221       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1222       i -= 1; e -= 2;
1223       ++NumAnnihil;
1224     }
1225   }
1226   return nullptr;
1227 }
1228
1229 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1230 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1231 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1232 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1233 /// be returned.
1234 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1235                              const APInt &ConstOpnd) {
1236   if (ConstOpnd != 0) {
1237     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1238       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1239       Instruction *I;
1240       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1241                                     "and.ra", InsertBefore);
1242       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1243       return I;
1244     }
1245     return Opnd;
1246   }
1247   return nullptr;
1248 }
1249
1250 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1251 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1252 //
1253 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1254 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1255 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1256 //  
1257 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1258                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1259   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1260   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1261   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1262   // It is useful only when c1 == c2.
1263   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1264     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1265       return false;
1266
1267     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1268     if (C1 != ConstOpnd)
1269       return false;
1270
1271     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1272     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1273     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1274     ConstOpnd ^= C1;
1275
1276     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1277       RedoInsts.insert(T);
1278     return true;
1279   }
1280   return false;
1281 }
1282
1283                            
1284 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1285 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1286 // symbolic value. 
1287 // 
1288 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1289 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1290 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1291 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1292 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1293                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1294   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1295   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1296     return false;
1297
1298   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1299   int DeadInstNum = 1;
1300   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1301     DeadInstNum++;
1302   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1303     DeadInstNum++;
1304
1305   // Xor-Rule 2:
1306   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1307   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1308   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1309   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1310   //
1311   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1312     if (Opnd2->isOrExpr())
1313       std::swap(Opnd1, Opnd2);
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 ^= C1;
1328
1329   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1330     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1331     //
1332     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1333     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1334     APInt C3 = C1 ^ C2;
1335     
1336     // Do not increase code size
1337     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1338       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1339       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1340         return false;
1341     }
1342
1343     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1344     ConstOpnd ^= C3;
1345   } else {
1346     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1347     //
1348     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1349     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1350     APInt C3 = C1 ^ C2;
1351     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1352   }
1353
1354   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1355   // as dead code.
1356   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1357     RedoInsts.insert(T);
1358   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1359     RedoInsts.insert(T);
1360
1361   return true;
1362 }
1363
1364 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1365 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1366 /// necessary.
1367 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1368                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1369   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1370     return V;
1371       
1372   if (Ops.size() == 1)
1373     return nullptr;
1374
1375   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1376   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1377   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1378   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1379
1380   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1381   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1382     Value *V = Ops[i].Op;
1383     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1384       XorOpnd O(V);
1385       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1386       Opnds.push_back(O);
1387     } else
1388       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1389   }
1390
1391   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1392   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1393   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1394   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1395   //  when new elements are added to the vector.
1396   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1397     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1398
1399   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1400   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1401   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1402   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1403   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1404
1405   // Step 3: Combine adjacent operands
1406   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1407   bool Changed = false;
1408   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1409     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1410     // The combined value
1411     Value *CV;
1412
1413     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1414     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1415       Changed = true;
1416       if (CV)
1417         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1418       else {
1419         CurrOpnd->Invalidate();
1420         continue;
1421       }
1422     }
1423
1424     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1425       PrevOpnd = CurrOpnd;
1426       continue;
1427     }
1428
1429     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1430     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1431     //    
1432     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1433       // Remove previous operand
1434       PrevOpnd->Invalidate();
1435       if (CV) {
1436         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1437         PrevOpnd = CurrOpnd;
1438       } else {
1439         CurrOpnd->Invalidate();
1440         PrevOpnd = nullptr;
1441       }
1442       Changed = true;
1443     }
1444   }
1445
1446   // Step 4: Reassemble the Ops
1447   if (Changed) {
1448     Ops.clear();
1449     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1450       XorOpnd &O = Opnds[i];
1451       if (O.isInvalid())
1452         continue;
1453       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1454       Ops.push_back(VE);
1455     }
1456     if (ConstOpnd != 0) {
1457       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1458       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1459       Ops.push_back(VE);
1460     }
1461     int Sz = Ops.size();
1462     if (Sz == 1)
1463       return Ops.back().Op;
1464     else if (Sz == 0) {
1465       assert(ConstOpnd == 0);
1466       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1467     }
1468   }
1469
1470   return nullptr;
1471 }
1472
1473 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1474 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1475 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1476 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1477                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1478   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1479   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1480   // scan for any
1481   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1482
1483   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1484     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1485     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1486     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1487     // that these need to be next to each other in the vector.
1488     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1489       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1490       unsigned NumFound = 0;
1491       do {
1492         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1493         ++NumFound;
1494       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1495
1496       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1497       ++NumFactor;
1498
1499       // Insert a new multiply.
1500       Type *Ty = TheOp->getType();
1501       Constant *C = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::get(Ty, NumFound)
1502                                       : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1503       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1504
1505       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1506       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1507       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1508       RedoInsts.insert(Mul);
1509
1510       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1511       if (Ops.empty())
1512         return Mul;
1513
1514       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1515       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1516       // things being added by this operation.
1517       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1518
1519       --i;
1520       e = Ops.size();
1521       continue;
1522     }
1523
1524     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1525     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1526         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1527       continue;
1528
1529     Value *X = nullptr;
1530     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1531       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1532     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1533       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1534
1535     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1536     if (FoundX == i)
1537       continue;
1538
1539     // Remove X and -X from the operand list.
1540     if (Ops.size() == 2 &&
1541         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1542       return Constant::getNullValue(X->getType());
1543
1544     // Remove X and ~X from the operand list.
1545     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1546       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1547
1548     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1549     if (i < FoundX)
1550       --FoundX;
1551     else
1552       --i;   // Need to back up an extra one.
1553     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1554     ++NumAnnihil;
1555     --i;     // Revisit element.
1556     e -= 2;  // Removed two elements.
1557
1558     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1559     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1560       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1561       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1562       e += 1;
1563     }
1564   }
1565
1566   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1567   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1568   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1569   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1570   // for any ADD operands that are MULs.
1571   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1572
1573   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1574   // where they are actually the same multiply.
1575   unsigned MaxOcc = 0;
1576   Value *MaxOccVal = nullptr;
1577   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1578     BinaryOperator *BOp =
1579         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1580     if (!BOp)
1581       continue;
1582
1583     // Compute all of the factors of this added value.
1584     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1585     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1586     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1587
1588     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1589     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1590     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1591       Value *Factor = Factors[i];
1592       if (!Duplicates.insert(Factor))
1593         continue;
1594
1595       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1596       if (Occ > MaxOcc) {
1597         MaxOcc = Occ;
1598         MaxOccVal = Factor;
1599       }
1600
1601       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1602       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1603       // cannot be positivified.
1604       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1605         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1606           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1607           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1608                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1609           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1610           if (Occ > MaxOcc) {
1611             MaxOcc = Occ;
1612             MaxOccVal = Factor;
1613           }
1614         }
1615       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1616         if (CF->isNegative()) {
1617           APFloat F(CF->getValueAPF());
1618           F.changeSign();
1619           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1620           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1621                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1622           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1623           if (Occ > MaxOcc) {
1624             MaxOcc = Occ;
1625             MaxOccVal = Factor;
1626           }
1627         }
1628       }
1629     }
1630   }
1631
1632   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1633   if (MaxOcc > 1) {
1634     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1635     ++NumFactor;
1636
1637     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1638     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1639     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1640     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1641     Instruction *DummyInst =
1642         I->getType()->isIntegerTy()
1643             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1644             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1645
1646     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1647     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1648       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1649       BinaryOperator *BOp =
1650           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1651       if (!BOp)
1652         continue;
1653
1654       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1655         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1656         // one fell swoop.
1657         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1658           --j;
1659           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1660             NewMulOps.push_back(V);
1661             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1662           }
1663         }
1664         --i;
1665       }
1666     }
1667
1668     // No need for extra uses anymore.
1669     delete DummyInst;
1670
1671     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1672     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1673
1674     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1675     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1676     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1677     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1678     (void)NumAddedValues;
1679     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1680       RedoInsts.insert(VI);
1681
1682     // Create the multiply.
1683     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1684
1685     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1686     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1687     RedoInsts.insert(V2);
1688
1689     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1690     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1691     if (Ops.empty())
1692       return V2;
1693
1694     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1695     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1696     // things being added by this operation.
1697     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1698   }
1699
1700   return nullptr;
1701 }
1702
1703 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1704 ///
1705 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1706 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1707 /// the order of descending power.
1708 ///
1709 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1710 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1711 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1712 ///
1713 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1714 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1715                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1716   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1717   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1718   unsigned FactorPowerSum = 0;
1719   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1720     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1721
1722     // Count the number of occurrences of this value.
1723     unsigned Count = 1;
1724     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1725       ++Count;
1726     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1727     if (Count > 1)
1728       FactorPowerSum += Count;
1729   }
1730
1731   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1732   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1733   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1734   // trying to simplify already minimal formations.
1735   if (FactorPowerSum < 4)
1736     return false;
1737
1738   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1739   FactorPowerSum = 0;
1740   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1741     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1742
1743     // Count the number of occurrences of this value.
1744     unsigned Count = 1;
1745     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1746       ++Count;
1747     if (Count == 1)
1748       continue;
1749     // Move an even number of occurrences to Factors.
1750     Count &= ~1U;
1751     Idx -= Count;
1752     FactorPowerSum += Count;
1753     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1754     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1755   }
1756
1757   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1758   // below our mininum of '4'.
1759   assert(FactorPowerSum >= 4);
1760
1761   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1762   return true;
1763 }
1764
1765 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1766 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1767                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1768   if (Ops.size() == 1)
1769     return Ops.back();
1770
1771   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1772   do {
1773     if (LHS->getType()->isIntegerTy())
1774       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1775     else
1776       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1777   } while (!Ops.empty());
1778
1779   return LHS;
1780 }
1781
1782 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1783 ///
1784 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1785 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1786 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1787 /// value.
1788 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1789                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1790   assert(Factors[0].Power);
1791   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1792   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1793        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1794     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1795       LastIdx = Idx;
1796       continue;
1797     }
1798
1799     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1800     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1801     // for that.
1802     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1803     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1804     do {
1805       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1806       ++Idx;
1807     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1808
1809     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1810     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1811     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1812     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1813       RedoInsts.insert(MI);
1814
1815     LastIdx = Idx;
1816   }
1817   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1818   // base.
1819   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1820                             Factor::PowerEqual()),
1821                 Factors.end());
1822
1823   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1824   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1825   // expression.
1826   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1827     if (Factors[Idx].Power & 1)
1828       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1829     Factors[Idx].Power >>= 1;
1830   }
1831   if (Factors[0].Power) {
1832     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1833     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1834     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1835   }
1836   if (OuterProduct.size() == 1)
1837     return OuterProduct.front();
1838
1839   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1840   return V;
1841 }
1842
1843 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1844                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1845   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1846   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1847   if (Ops.size() < 4)
1848     return nullptr;
1849
1850   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1851   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1852   // re-use.
1853   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1854   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1855     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1856
1857   IRBuilder<> Builder(I);
1858   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1859   if (Ops.empty())
1860     return V;
1861
1862   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1863   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1864   return nullptr;
1865 }
1866
1867 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1868                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1869   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1870   // Start by folding any constants that we found.
1871   Constant *Cst = nullptr;
1872   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1873   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1874     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1875     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1876   }
1877   // If there was nothing but constants then we are done.
1878   if (Ops.empty())
1879     return Cst;
1880
1881   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1882   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1883   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1884   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1885     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1886       return Cst;
1887     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1888   }
1889
1890   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1891
1892   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1893   // argument list here.
1894   unsigned NumOps = Ops.size();
1895   switch (Opcode) {
1896   default: break;
1897   case Instruction::And:
1898   case Instruction::Or:
1899     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1900       return Result;
1901     break;
1902
1903   case Instruction::Xor:
1904     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1905       return Result;
1906     break;
1907
1908   case Instruction::Add:
1909   case Instruction::FAdd:
1910     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1911       return Result;
1912     break;
1913
1914   case Instruction::Mul:
1915   case Instruction::FMul:
1916     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1917       return Result;
1918     break;
1919   }
1920
1921   if (Ops.size() != NumOps)
1922     return OptimizeExpression(I, Ops);
1923   return nullptr;
1924 }
1925
1926 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1927 /// work list.
1928 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1929   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1930   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1931   // Erase the dead instruction.
1932   ValueRankMap.erase(I);
1933   RedoInsts.remove(I);
1934   I->eraseFromParent();
1935   // Optimize its operands.
1936   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1937   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1938     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1939       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1940       // and add that since that's where optimization actually happens.
1941       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1942       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1943              Visited.insert(Op))
1944         Op = Op->user_back();
1945       RedoInsts.insert(Op);
1946     }
1947 }
1948
1949 // Canonicalize expressions of the following form:
1950 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1951 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1952 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1953   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1954     return nullptr;
1955
1956   // Must be a mul instruction.
1957   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1958   if (Opcode != Instruction::Mul && Opcode != Instruction::FMul &&
1959       Opcode != Instruction::FDiv)
1960     return nullptr;
1961
1962   // Must have at least one constant operand.
1963   Constant *C0 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(0));
1964   Constant *C1 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1));
1965   if (!C0 && !C1)
1966     return nullptr;
1967
1968   // Must be a negative ConstantInt or ConstantFP.
1969   Constant *C = C0 ? C0 : C1;
1970   unsigned ConstIdx = C0 ? 0 : 1;
1971   if (auto *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C)) {
1972     if (!CI->isNegative())
1973       return nullptr;
1974   } else if (auto *CF = dyn_cast<ConstantFP>(C)) {
1975     if (!CF->isNegative())
1976       return nullptr;
1977   } else
1978     return nullptr;
1979
1980   // User must be a binary operator with one or more uses.
1981   Instruction *User = I->user_back();
1982   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->getNumUses())
1983     return nullptr;
1984
1985   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
1986   if (UserOpcode != Instruction::Add && UserOpcode != Instruction::FAdd &&
1987       UserOpcode != Instruction::Sub && UserOpcode != Instruction::FSub)
1988     return nullptr;
1989
1990   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
1991   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
1992   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
1993     return nullptr;
1994
1995   // Change the sign of the constant.
1996   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C))
1997     I->setOperand(ConstIdx, ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue()));
1998   else {
1999     ConstantFP *CF = cast<ConstantFP>(C);
2000     APFloat Val = CF->getValueAPF();
2001     Val.changeSign();
2002     I->setOperand(ConstIdx, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2003   }
2004
2005   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2006   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2007   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2008     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2009
2010   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2011   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2012   BinaryOperator *NI;
2013   switch(UserOpcode) {
2014   default:
2015     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2016   case Instruction::Add:
2017     NI = BinaryOperator::CreateSub(Op0, Op1);
2018     break;
2019   case Instruction::Sub:
2020     NI = BinaryOperator::CreateAdd(Op0, Op1);
2021     break;
2022   case Instruction::FAdd:
2023     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2024     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2025     break;
2026   case Instruction::FSub:
2027     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2028     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2029     break;
2030   }
2031
2032   NI->insertBefore(User);
2033   NI->setName(User->getName());
2034   User->replaceAllUsesWith(NI);
2035   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2036   RedoInsts.insert(I);
2037   MadeChange = true;
2038   return NI;
2039 }
2040
2041 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2042 /// instructions is not allowed.
2043 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2044   // Only consider operations that we understand.
2045   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2046     return;
2047
2048   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2049     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2050     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2051     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2052         (I->hasOneUse() &&
2053          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2054           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2055       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2056       RedoInsts.insert(I);
2057       MadeChange = true;
2058       I = NI;
2059     }
2060
2061   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2062   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2063     I = Res;
2064
2065   // Commute floating point binary operators, to canonicalize the order of their
2066   // operands.  This can potentially expose more CSE opportunities, and makes
2067   // writing other transformations simpler.
2068   if (I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy()) {
2069
2070     // FAdd and FMul can be commuted.
2071     unsigned Opcode = I->getOpcode();
2072     if (Opcode == Instruction::FMul || Opcode == Instruction::FAdd) {
2073       Value *LHS = I->getOperand(0);
2074       Value *RHS = I->getOperand(1);
2075       unsigned LHSRank = getRank(LHS);
2076       unsigned RHSRank = getRank(RHS);
2077
2078       // Sort the operands by rank.
2079       if (RHSRank < LHSRank) {
2080         I->setOperand(0, RHS);
2081         I->setOperand(1, LHS);
2082       }
2083     }
2084
2085     // FIXME: We should commute vector instructions as well.  However, this 
2086     // requires further analysis to determine the effect on later passes.
2087
2088     // Don't try to optimize vector instructions or anything that doesn't have
2089     // unsafe algebra.
2090     if (I->getType()->isVectorTy() || !I->hasUnsafeAlgebra())
2091       return;
2092   }
2093
2094   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2095   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2096   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2097   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2098   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2099   // optimized for the most likely conditions.
2100   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2101     return;
2102
2103   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2104   // see if we can convert it to X+-Y.
2105   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2106     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2107       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2108       RedoInsts.insert(I);
2109       MadeChange = true;
2110       I = NI;
2111     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2112       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2113       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2114       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2115           (!I->hasOneUse() ||
2116            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2117         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2118         RedoInsts.insert(I);
2119         MadeChange = true;
2120         I = NI;
2121       }
2122     }
2123   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2124     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2125       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2126       RedoInsts.insert(I);
2127       MadeChange = true;
2128       I = NI;
2129     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2130       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2131       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2132       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2133           (!I->hasOneUse() ||
2134            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2135         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2136         RedoInsts.insert(I);
2137         MadeChange = true;
2138         I = NI;
2139       }
2140     }
2141   }
2142
2143   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2144   if (!I->isAssociative()) return;
2145   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2146
2147   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2148   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2149   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2150   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2151     return;
2152
2153   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2154   // until we process the subtract.
2155   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2156       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2157     return;
2158   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2159       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2160     return;
2161
2162   ReassociateExpression(BO);
2163 }
2164
2165 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2166   assert(!I->getType()->isVectorTy() &&
2167          "Reassociation of vector instructions is not supported.");
2168
2169   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2170   // operand information.
2171   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2172   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2173   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2174   Ops.reserve(Tree.size());
2175   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2176     RepeatedValue E = Tree[i];
2177     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2178                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2179   }
2180
2181   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2182
2183   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2184   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2185   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2186   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2187   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2188   // the vector.
2189   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2190
2191   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
2192   // sorted form, optimize it globally if possible.
2193   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2194     if (V == I)
2195       // Self-referential expression in unreachable code.
2196       return;
2197     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2198     // eliminate it.
2199     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2200     I->replaceAllUsesWith(V);
2201     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2202       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2203     RedoInsts.insert(I);
2204     ++NumAnnihil;
2205     return;
2206   }
2207
2208   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2209   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2210   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2211   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2212   if (I->hasOneUse()) {
2213     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2214         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2215         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2216         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2217       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2218       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2219     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2220                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2221                    Instruction::FAdd &&
2222                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2223                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2224       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2225       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2226     }
2227   }
2228
2229   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2230
2231   if (Ops.size() == 1) {
2232     if (Ops[0].Op == I)
2233       // Self-referential expression in unreachable code.
2234       return;
2235
2236     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2237     // eliminate it.
2238     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2239     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2240       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2241     RedoInsts.insert(I);
2242     return;
2243   }
2244
2245   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2246   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2247   RewriteExprTree(I, Ops);
2248 }
2249
2250 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2251   if (skipOptnoneFunction(F))
2252     return false;
2253
2254   // Calculate the rank map for F
2255   BuildRankMap(F);
2256
2257   MadeChange = false;
2258   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2259     // Optimize every instruction in the basic block.
2260     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2261       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2262         EraseInst(II++);
2263       } else {
2264         OptimizeInst(II);
2265         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2266         ++II;
2267       }
2268
2269     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2270     while (!RedoInsts.empty()) {
2271       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2272       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2273         EraseInst(I);
2274       else
2275         OptimizeInst(I);
2276     }
2277   }
2278
2279   // We are done with the rank map.
2280   RankMap.clear();
2281   ValueRankMap.clear();
2282
2283   return MadeChange;
2284 }