0afc73e5098fd5a503b822a1025fe9caed1d34eb
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Vectorize / LoopVectorize.cpp
1 //===- LoopVectorize.cpp - A Loop Vectorizer ------------------------------===//
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 is the LLVM loop vectorizer. This pass modifies 'vectorizable' loops
11 // and generates target-independent LLVM-IR.
12 // The vectorizer uses the TargetTransformInfo analysis to estimate the costs
13 // of instructions in order to estimate the profitability of vectorization.
14 //
15 // The loop vectorizer combines consecutive loop iterations into a single
16 // 'wide' iteration. After this transformation the index is incremented
17 // by the SIMD vector width, and not by one.
18 //
19 // This pass has three parts:
20 // 1. The main loop pass that drives the different parts.
21 // 2. LoopVectorizationLegality - A unit that checks for the legality
22 //    of the vectorization.
23 // 3. InnerLoopVectorizer - A unit that performs the actual
24 //    widening of instructions.
25 // 4. LoopVectorizationCostModel - A unit that checks for the profitability
26 //    of vectorization. It decides on the optimal vector width, which
27 //    can be one, if vectorization is not profitable.
28 //
29 //===----------------------------------------------------------------------===//
30 //
31 // The reduction-variable vectorization is based on the paper:
32 //  D. Nuzman and R. Henderson. Multi-platform Auto-vectorization.
33 //
34 // Variable uniformity checks are inspired by:
35 //  Karrenberg, R. and Hack, S. Whole Function Vectorization.
36 //
37 // Other ideas/concepts are from:
38 //  A. Zaks and D. Nuzman. Autovectorization in GCC-two years later.
39 //
40 //  S. Maleki, Y. Gao, M. Garzaran, T. Wong and D. Padua.  An Evaluation of
41 //  Vectorizing Compilers.
42 //
43 //===----------------------------------------------------------------------===//
44
45 #define LV_NAME "loop-vectorize"
46 #define DEBUG_TYPE LV_NAME
47
48 #include "llvm/Transforms/Vectorize.h"
49 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
50 #include "llvm/ADT/EquivalenceClasses.h"
51 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
52 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
53 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
54 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
55 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
56 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
57 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
58 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
59 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
60 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
61 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
62 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
64 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
65 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
66 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
67 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
68 #include "llvm/IR/Constants.h"
69 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
70 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
71 #include "llvm/IR/Function.h"
72 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
73 #include "llvm/IR/Instructions.h"
74 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
75 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
76 #include "llvm/IR/Module.h"
77 #include "llvm/IR/Type.h"
78 #include "llvm/IR/Value.h"
79 #include "llvm/Pass.h"
80 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
81 #include "llvm/Support/Debug.h"
82 #include "llvm/Support/PatternMatch.h"
83 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
84 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
85 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
86 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
87 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
88 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
89 #include <algorithm>
90 #include <map>
91
92 using namespace llvm;
93 using namespace llvm::PatternMatch;
94
95 static cl::opt<unsigned>
96 VectorizationFactor("force-vector-width", cl::init(0), cl::Hidden,
97                     cl::desc("Sets the SIMD width. Zero is autoselect."));
98
99 static cl::opt<unsigned>
100 VectorizationUnroll("force-vector-unroll", cl::init(0), cl::Hidden,
101                     cl::desc("Sets the vectorization unroll count. "
102                              "Zero is autoselect."));
103
104 static cl::opt<bool>
105 EnableIfConversion("enable-if-conversion", cl::init(true), cl::Hidden,
106                    cl::desc("Enable if-conversion during vectorization."));
107
108 /// We don't vectorize loops with a known constant trip count below this number.
109 static cl::opt<unsigned>
110 TinyTripCountVectorThreshold("vectorizer-min-trip-count", cl::init(16),
111                              cl::Hidden,
112                              cl::desc("Don't vectorize loops with a constant "
113                                       "trip count that is smaller than this "
114                                       "value."));
115
116 /// We don't unroll loops with a known constant trip count below this number.
117 static const unsigned TinyTripCountUnrollThreshold = 128;
118
119 /// When performing memory disambiguation checks at runtime do not make more
120 /// than this number of comparisons.
121 static const unsigned RuntimeMemoryCheckThreshold = 8;
122
123 /// Maximum simd width.
124 static const unsigned MaxVectorWidth = 64;
125
126 /// Maximum vectorization unroll count.
127 static const unsigned MaxUnrollFactor = 16;
128
129 /// The cost of a loop that is considered 'small' by the unroller.
130 static const unsigned SmallLoopCost = 20;
131
132 namespace {
133
134 // Forward declarations.
135 class LoopVectorizationLegality;
136 class LoopVectorizationCostModel;
137
138 /// InnerLoopVectorizer vectorizes loops which contain only one basic
139 /// block to a specified vectorization factor (VF).
140 /// This class performs the widening of scalars into vectors, or multiple
141 /// scalars. This class also implements the following features:
142 /// * It inserts an epilogue loop for handling loops that don't have iteration
143 ///   counts that are known to be a multiple of the vectorization factor.
144 /// * It handles the code generation for reduction variables.
145 /// * Scalarization (implementation using scalars) of un-vectorizable
146 ///   instructions.
147 /// InnerLoopVectorizer does not perform any vectorization-legality
148 /// checks, and relies on the caller to check for the different legality
149 /// aspects. The InnerLoopVectorizer relies on the
150 /// LoopVectorizationLegality class to provide information about the induction
151 /// and reduction variables that were found to a given vectorization factor.
152 class InnerLoopVectorizer {
153 public:
154   InnerLoopVectorizer(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
155                       DominatorTree *DT, DataLayout *DL,
156                       const TargetLibraryInfo *TLI, unsigned VecWidth,
157                       unsigned UnrollFactor)
158       : OrigLoop(OrigLoop), SE(SE), LI(LI), DT(DT), DL(DL), TLI(TLI),
159         VF(VecWidth), UF(UnrollFactor), Builder(SE->getContext()), Induction(0),
160         OldInduction(0), WidenMap(UnrollFactor) {}
161
162   // Perform the actual loop widening (vectorization).
163   void vectorize(LoopVectorizationLegality *Legal) {
164     // Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
165     createEmptyLoop(Legal);
166     // Widen each instruction in the old loop to a new one in the new loop.
167     // Use the Legality module to find the induction and reduction variables.
168     vectorizeLoop(Legal);
169     // Register the new loop and update the analysis passes.
170     updateAnalysis();
171   }
172
173   virtual ~InnerLoopVectorizer() {}
174
175 protected:
176   /// A small list of PHINodes.
177   typedef SmallVector<PHINode*, 4> PhiVector;
178   /// When we unroll loops we have multiple vector values for each scalar.
179   /// This data structure holds the unrolled and vectorized values that
180   /// originated from one scalar instruction.
181   typedef SmallVector<Value*, 2> VectorParts;
182
183   // When we if-convert we need create edge masks. We have to cache values so
184   // that we don't end up with exponential recursion/IR.
185   typedef DenseMap<std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*>,
186                    VectorParts> EdgeMaskCache;
187
188   /// Add code that checks at runtime if the accessed arrays overlap.
189   /// Returns the comparator value or NULL if no check is needed.
190   Instruction *addRuntimeCheck(LoopVectorizationLegality *Legal,
191                                Instruction *Loc);
192   /// Create an empty loop, based on the loop ranges of the old loop.
193   void createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
194   /// Copy and widen the instructions from the old loop.
195   virtual void vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
196
197   /// \brief The Loop exit block may have single value PHI nodes where the
198   /// incoming value is 'Undef'. While vectorizing we only handled real values
199   /// that were defined inside the loop. Here we fix the 'undef case'.
200   /// See PR14725.
201   void fixLCSSAPHIs();
202
203   /// A helper function that computes the predicate of the block BB, assuming
204   /// that the header block of the loop is set to True. It returns the *entry*
205   /// mask for the block BB.
206   VectorParts createBlockInMask(BasicBlock *BB);
207   /// A helper function that computes the predicate of the edge between SRC
208   /// and DST.
209   VectorParts createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst);
210
211   /// A helper function to vectorize a single BB within the innermost loop.
212   void vectorizeBlockInLoop(LoopVectorizationLegality *Legal, BasicBlock *BB,
213                             PhiVector *PV);
214
215   /// Vectorize a single PHINode in a block. This method handles the induction
216   /// variable canonicalization. It supports both VF = 1 for unrolled loops and
217   /// arbitrary length vectors.
218   void widenPHIInstruction(Instruction *PN, VectorParts &Entry,
219                            LoopVectorizationLegality *Legal,
220                            unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV);
221
222   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager
223   /// and update the analysis passes.
224   void updateAnalysis();
225
226   /// This instruction is un-vectorizable. Implement it as a sequence
227   /// of scalars.
228   virtual void scalarizeInstruction(Instruction *Instr);
229
230   /// Vectorize Load and Store instructions,
231   virtual void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
232                                   LoopVectorizationLegality *Legal);
233
234   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
235   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
236   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
237   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
238   /// element.
239   virtual Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
240
241   /// This function adds 0, 1, 2 ... to each vector element, starting at zero.
242   /// If Negate is set then negative numbers are added e.g. (0, -1, -2, ...).
243   /// The sequence starts at StartIndex.
244   virtual Value *getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx, bool Negate);
245
246   /// When we go over instructions in the basic block we rely on previous
247   /// values within the current basic block or on loop invariant values.
248   /// When we widen (vectorize) values we place them in the map. If the values
249   /// are not within the map, they have to be loop invariant, so we simply
250   /// broadcast them into a vector.
251   VectorParts &getVectorValue(Value *V);
252
253   /// Generate a shuffle sequence that will reverse the vector Vec.
254   virtual Value *reverseVector(Value *Vec);
255
256   /// This is a helper class that holds the vectorizer state. It maps scalar
257   /// instructions to vector instructions. When the code is 'unrolled' then
258   /// then a single scalar value is mapped to multiple vector parts. The parts
259   /// are stored in the VectorPart type.
260   struct ValueMap {
261     /// C'tor.  UnrollFactor controls the number of vectors ('parts') that
262     /// are mapped.
263     ValueMap(unsigned UnrollFactor) : UF(UnrollFactor) {}
264
265     /// \return True if 'Key' is saved in the Value Map.
266     bool has(Value *Key) const { return MapStorage.count(Key); }
267
268     /// Initializes a new entry in the map. Sets all of the vector parts to the
269     /// save value in 'Val'.
270     /// \return A reference to a vector with splat values.
271     VectorParts &splat(Value *Key, Value *Val) {
272       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
273       Entry.assign(UF, Val);
274       return Entry;
275     }
276
277     ///\return A reference to the value that is stored at 'Key'.
278     VectorParts &get(Value *Key) {
279       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
280       if (Entry.empty())
281         Entry.resize(UF);
282       assert(Entry.size() == UF);
283       return Entry;
284     }
285
286   private:
287     /// The unroll factor. Each entry in the map stores this number of vector
288     /// elements.
289     unsigned UF;
290
291     /// Map storage. We use std::map and not DenseMap because insertions to a
292     /// dense map invalidates its iterators.
293     std::map<Value *, VectorParts> MapStorage;
294   };
295
296   /// The original loop.
297   Loop *OrigLoop;
298   /// Scev analysis to use.
299   ScalarEvolution *SE;
300   /// Loop Info.
301   LoopInfo *LI;
302   /// Dominator Tree.
303   DominatorTree *DT;
304   /// Data Layout.
305   DataLayout *DL;
306   /// Target Library Info.
307   const TargetLibraryInfo *TLI;
308
309   /// The vectorization SIMD factor to use. Each vector will have this many
310   /// vector elements.
311   unsigned VF;
312
313 protected:
314   /// The vectorization unroll factor to use. Each scalar is vectorized to this
315   /// many different vector instructions.
316   unsigned UF;
317
318   /// The builder that we use
319   IRBuilder<> Builder;
320
321   // --- Vectorization state ---
322
323   /// The vector-loop preheader.
324   BasicBlock *LoopVectorPreHeader;
325   /// The scalar-loop preheader.
326   BasicBlock *LoopScalarPreHeader;
327   /// Middle Block between the vector and the scalar.
328   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
329   ///The ExitBlock of the scalar loop.
330   BasicBlock *LoopExitBlock;
331   ///The vector loop body.
332   BasicBlock *LoopVectorBody;
333   ///The scalar loop body.
334   BasicBlock *LoopScalarBody;
335   /// A list of all bypass blocks. The first block is the entry of the loop.
336   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopBypassBlocks;
337
338   /// The new Induction variable which was added to the new block.
339   PHINode *Induction;
340   /// The induction variable of the old basic block.
341   PHINode *OldInduction;
342   /// Holds the extended (to the widest induction type) start index.
343   Value *ExtendedIdx;
344   /// Maps scalars to widened vectors.
345   ValueMap WidenMap;
346   EdgeMaskCache MaskCache;
347 };
348
349 class InnerLoopUnroller : public InnerLoopVectorizer {
350 public:
351   InnerLoopUnroller(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
352                     DominatorTree *DT, DataLayout *DL,
353                     const TargetLibraryInfo *TLI, unsigned UnrollFactor) :
354     InnerLoopVectorizer(OrigLoop, SE, LI, DT, DL, TLI, 1, UnrollFactor) { }
355
356 private:
357   virtual void scalarizeInstruction(Instruction *Instr);
358   virtual void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
359                                           LoopVectorizationLegality *Legal);
360   virtual Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
361   virtual Value *getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx, bool Negate);
362   virtual Value *reverseVector(Value *Vec);
363 };
364
365 /// \brief Look for a meaningful debug location on the instruction or it's
366 /// operands.
367 static Instruction *getDebugLocFromInstOrOperands(Instruction *I) {
368   if (!I)
369     return I;
370
371   DebugLoc Empty;
372   if (I->getDebugLoc() != Empty)
373     return I;
374
375   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), OE = I->op_end(); OI != OE; ++OI) {
376     if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
377       if (OpInst->getDebugLoc() != Empty)
378         return OpInst;
379   }
380
381   return I;
382 }
383
384 /// \brief Set the debug location in the builder using the debug location in the
385 /// instruction.
386 static void setDebugLocFromInst(IRBuilder<> &B, const Value *Ptr) {
387   if (const Instruction *Inst = dyn_cast_or_null<Instruction>(Ptr))
388     B.SetCurrentDebugLocation(Inst->getDebugLoc());
389   else
390     B.SetCurrentDebugLocation(DebugLoc());
391 }
392
393 /// LoopVectorizationLegality checks if it is legal to vectorize a loop, and
394 /// to what vectorization factor.
395 /// This class does not look at the profitability of vectorization, only the
396 /// legality. This class has two main kinds of checks:
397 /// * Memory checks - The code in canVectorizeMemory checks if vectorization
398 ///   will change the order of memory accesses in a way that will change the
399 ///   correctness of the program.
400 /// * Scalars checks - The code in canVectorizeInstrs and canVectorizeMemory
401 /// checks for a number of different conditions, such as the availability of a
402 /// single induction variable, that all types are supported and vectorize-able,
403 /// etc. This code reflects the capabilities of InnerLoopVectorizer.
404 /// This class is also used by InnerLoopVectorizer for identifying
405 /// induction variable and the different reduction variables.
406 class LoopVectorizationLegality {
407 public:
408   LoopVectorizationLegality(Loop *L, ScalarEvolution *SE, DataLayout *DL,
409                             DominatorTree *DT, TargetLibraryInfo *TLI)
410       : TheLoop(L), SE(SE), DL(DL), DT(DT), TLI(TLI),
411         Induction(0), WidestIndTy(0), HasFunNoNaNAttr(false),
412         MaxSafeDepDistBytes(-1U) {}
413
414   /// This enum represents the kinds of reductions that we support.
415   enum ReductionKind {
416     RK_NoReduction, ///< Not a reduction.
417     RK_IntegerAdd,  ///< Sum of integers.
418     RK_IntegerMult, ///< Product of integers.
419     RK_IntegerOr,   ///< Bitwise or logical OR of numbers.
420     RK_IntegerAnd,  ///< Bitwise or logical AND of numbers.
421     RK_IntegerXor,  ///< Bitwise or logical XOR of numbers.
422     RK_IntegerMinMax, ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
423     RK_FloatAdd,    ///< Sum of floats.
424     RK_FloatMult,   ///< Product of floats.
425     RK_FloatMinMax  ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
426   };
427
428   /// This enum represents the kinds of inductions that we support.
429   enum InductionKind {
430     IK_NoInduction,         ///< Not an induction variable.
431     IK_IntInduction,        ///< Integer induction variable. Step = 1.
432     IK_ReverseIntInduction, ///< Reverse int induction variable. Step = -1.
433     IK_PtrInduction,        ///< Pointer induction var. Step = sizeof(elem).
434     IK_ReversePtrInduction  ///< Reverse ptr indvar. Step = - sizeof(elem).
435   };
436
437   // This enum represents the kind of minmax reduction.
438   enum MinMaxReductionKind {
439     MRK_Invalid,
440     MRK_UIntMin,
441     MRK_UIntMax,
442     MRK_SIntMin,
443     MRK_SIntMax,
444     MRK_FloatMin,
445     MRK_FloatMax
446   };
447
448   /// This POD struct holds information about reduction variables.
449   struct ReductionDescriptor {
450     ReductionDescriptor() : StartValue(0), LoopExitInstr(0),
451       Kind(RK_NoReduction), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
452
453     ReductionDescriptor(Value *Start, Instruction *Exit, ReductionKind K,
454                         MinMaxReductionKind MK)
455         : StartValue(Start), LoopExitInstr(Exit), Kind(K), MinMaxKind(MK) {}
456
457     // The starting value of the reduction.
458     // It does not have to be zero!
459     TrackingVH<Value> StartValue;
460     // The instruction who's value is used outside the loop.
461     Instruction *LoopExitInstr;
462     // The kind of the reduction.
463     ReductionKind Kind;
464     // If this a min/max reduction the kind of reduction.
465     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
466   };
467
468   /// This POD struct holds information about a potential reduction operation.
469   struct ReductionInstDesc {
470     ReductionInstDesc(bool IsRedux, Instruction *I) :
471       IsReduction(IsRedux), PatternLastInst(I), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
472
473     ReductionInstDesc(Instruction *I, MinMaxReductionKind K) :
474       IsReduction(true), PatternLastInst(I), MinMaxKind(K) {}
475
476     // Is this instruction a reduction candidate.
477     bool IsReduction;
478     // The last instruction in a min/max pattern (select of the select(icmp())
479     // pattern), or the current reduction instruction otherwise.
480     Instruction *PatternLastInst;
481     // If this is a min/max pattern the comparison predicate.
482     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
483   };
484
485   // This POD struct holds information about the memory runtime legality
486   // check that a group of pointers do not overlap.
487   struct RuntimePointerCheck {
488     RuntimePointerCheck() : Need(false) {}
489
490     /// Reset the state of the pointer runtime information.
491     void reset() {
492       Need = false;
493       Pointers.clear();
494       Starts.clear();
495       Ends.clear();
496     }
497
498     /// Insert a pointer and calculate the start and end SCEVs.
499     void insert(ScalarEvolution *SE, Loop *Lp, Value *Ptr, bool WritePtr,
500                 unsigned DepSetId);
501
502     /// This flag indicates if we need to add the runtime check.
503     bool Need;
504     /// Holds the pointers that we need to check.
505     SmallVector<TrackingVH<Value>, 2> Pointers;
506     /// Holds the pointer value at the beginning of the loop.
507     SmallVector<const SCEV*, 2> Starts;
508     /// Holds the pointer value at the end of the loop.
509     SmallVector<const SCEV*, 2> Ends;
510     /// Holds the information if this pointer is used for writing to memory.
511     SmallVector<bool, 2> IsWritePtr;
512     /// Holds the id of the set of pointers that could be dependent because of a
513     /// shared underlying object.
514     SmallVector<unsigned, 2> DependencySetId;
515   };
516
517   /// A POD for saving information about induction variables.
518   struct InductionInfo {
519     InductionInfo(Value *Start, InductionKind K) : StartValue(Start), IK(K) {}
520     InductionInfo() : StartValue(0), IK(IK_NoInduction) {}
521     /// Start value.
522     TrackingVH<Value> StartValue;
523     /// Induction kind.
524     InductionKind IK;
525   };
526
527   /// ReductionList contains the reduction descriptors for all
528   /// of the reductions that were found in the loop.
529   typedef DenseMap<PHINode*, ReductionDescriptor> ReductionList;
530
531   /// InductionList saves induction variables and maps them to the
532   /// induction descriptor.
533   typedef MapVector<PHINode*, InductionInfo> InductionList;
534
535   /// Returns true if it is legal to vectorize this loop.
536   /// This does not mean that it is profitable to vectorize this
537   /// loop, only that it is legal to do so.
538   bool canVectorize();
539
540   /// Returns the Induction variable.
541   PHINode *getInduction() { return Induction; }
542
543   /// Returns the reduction variables found in the loop.
544   ReductionList *getReductionVars() { return &Reductions; }
545
546   /// Returns the induction variables found in the loop.
547   InductionList *getInductionVars() { return &Inductions; }
548
549   /// Returns the widest induction type.
550   Type *getWidestInductionType() { return WidestIndTy; }
551
552   /// Returns True if V is an induction variable in this loop.
553   bool isInductionVariable(const Value *V);
554
555   /// Return true if the block BB needs to be predicated in order for the loop
556   /// to be vectorized.
557   bool blockNeedsPredication(BasicBlock *BB);
558
559   /// Check if this  pointer is consecutive when vectorizing. This happens
560   /// when the last index of the GEP is the induction variable, or that the
561   /// pointer itself is an induction variable.
562   /// This check allows us to vectorize A[idx] into a wide load/store.
563   /// Returns:
564   /// 0 - Stride is unknown or non consecutive.
565   /// 1 - Address is consecutive.
566   /// -1 - Address is consecutive, and decreasing.
567   int isConsecutivePtr(Value *Ptr);
568
569   /// Returns true if the value V is uniform within the loop.
570   bool isUniform(Value *V);
571
572   /// Returns true if this instruction will remain scalar after vectorization.
573   bool isUniformAfterVectorization(Instruction* I) { return Uniforms.count(I); }
574
575   /// Returns the information that we collected about runtime memory check.
576   RuntimePointerCheck *getRuntimePointerCheck() { return &PtrRtCheck; }
577
578   /// This function returns the identity element (or neutral element) for
579   /// the operation K.
580   static Constant *getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp);
581
582   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return MaxSafeDepDistBytes; }
583
584 private:
585   /// Check if a single basic block loop is vectorizable.
586   /// At this point we know that this is a loop with a constant trip count
587   /// and we only need to check individual instructions.
588   bool canVectorizeInstrs();
589
590   /// When we vectorize loops we may change the order in which
591   /// we read and write from memory. This method checks if it is
592   /// legal to vectorize the code, considering only memory constrains.
593   /// Returns true if the loop is vectorizable
594   bool canVectorizeMemory();
595
596   /// Return true if we can vectorize this loop using the IF-conversion
597   /// transformation.
598   bool canVectorizeWithIfConvert();
599
600   /// Collect the variables that need to stay uniform after vectorization.
601   void collectLoopUniforms();
602
603   /// Return true if all of the instructions in the block can be speculatively
604   /// executed. \p SafePtrs is a list of addresses that are known to be legal
605   /// and we know that we can read from them without segfault.
606   bool blockCanBePredicated(BasicBlock *BB, SmallPtrSet<Value *, 8>& SafePtrs);
607
608   /// Returns True, if 'Phi' is the kind of reduction variable for type
609   /// 'Kind'. If this is a reduction variable, it adds it to ReductionList.
610   bool AddReductionVar(PHINode *Phi, ReductionKind Kind);
611   /// Returns a struct describing if the instruction 'I' can be a reduction
612   /// variable of type 'Kind'. If the reduction is a min/max pattern of
613   /// select(icmp()) this function advances the instruction pointer 'I' from the
614   /// compare instruction to the select instruction and stores this pointer in
615   /// 'PatternLastInst' member of the returned struct.
616   ReductionInstDesc isReductionInstr(Instruction *I, ReductionKind Kind,
617                                      ReductionInstDesc &Desc);
618   /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
619   /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
620   static ReductionInstDesc isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
621                                                     ReductionInstDesc &Prev);
622   /// Returns the induction kind of Phi. This function may return NoInduction
623   /// if the PHI is not an induction variable.
624   InductionKind isInductionVariable(PHINode *Phi);
625
626   /// The loop that we evaluate.
627   Loop *TheLoop;
628   /// Scev analysis.
629   ScalarEvolution *SE;
630   /// DataLayout analysis.
631   DataLayout *DL;
632   /// Dominators.
633   DominatorTree *DT;
634   /// Target Library Info.
635   TargetLibraryInfo *TLI;
636
637   //  ---  vectorization state --- //
638
639   /// Holds the integer induction variable. This is the counter of the
640   /// loop.
641   PHINode *Induction;
642   /// Holds the reduction variables.
643   ReductionList Reductions;
644   /// Holds all of the induction variables that we found in the loop.
645   /// Notice that inductions don't need to start at zero and that induction
646   /// variables can be pointers.
647   InductionList Inductions;
648   /// Holds the widest induction type encountered.
649   Type *WidestIndTy;
650
651   /// Allowed outside users. This holds the reduction
652   /// vars which can be accessed from outside the loop.
653   SmallPtrSet<Value*, 4> AllowedExit;
654   /// This set holds the variables which are known to be uniform after
655   /// vectorization.
656   SmallPtrSet<Instruction*, 4> Uniforms;
657   /// We need to check that all of the pointers in this list are disjoint
658   /// at runtime.
659   RuntimePointerCheck PtrRtCheck;
660   /// Can we assume the absence of NaNs.
661   bool HasFunNoNaNAttr;
662
663   unsigned MaxSafeDepDistBytes;
664 };
665
666 /// LoopVectorizationCostModel - estimates the expected speedups due to
667 /// vectorization.
668 /// In many cases vectorization is not profitable. This can happen because of
669 /// a number of reasons. In this class we mainly attempt to predict the
670 /// expected speedup/slowdowns due to the supported instruction set. We use the
671 /// TargetTransformInfo to query the different backends for the cost of
672 /// different operations.
673 class LoopVectorizationCostModel {
674 public:
675   LoopVectorizationCostModel(Loop *L, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
676                              LoopVectorizationLegality *Legal,
677                              const TargetTransformInfo &TTI,
678                              DataLayout *DL, const TargetLibraryInfo *TLI)
679       : TheLoop(L), SE(SE), LI(LI), Legal(Legal), TTI(TTI), DL(DL), TLI(TLI) {}
680
681   /// Information about vectorization costs
682   struct VectorizationFactor {
683     unsigned Width; // Vector width with best cost
684     unsigned Cost; // Cost of the loop with that width
685   };
686   /// \return The most profitable vectorization factor and the cost of that VF.
687   /// This method checks every power of two up to VF. If UserVF is not ZERO
688   /// then this vectorization factor will be selected if vectorization is
689   /// possible.
690   VectorizationFactor selectVectorizationFactor(bool OptForSize,
691                                                 unsigned UserVF);
692
693   /// \return The size (in bits) of the widest type in the code that
694   /// needs to be vectorized. We ignore values that remain scalar such as
695   /// 64 bit loop indices.
696   unsigned getWidestType();
697
698   /// \return The most profitable unroll factor.
699   /// If UserUF is non-zero then this method finds the best unroll-factor
700   /// based on register pressure and other parameters.
701   /// VF and LoopCost are the selected vectorization factor and the cost of the
702   /// selected VF.
703   unsigned selectUnrollFactor(bool OptForSize, unsigned UserUF, unsigned VF,
704                               unsigned LoopCost);
705
706   /// \brief A struct that represents some properties of the register usage
707   /// of a loop.
708   struct RegisterUsage {
709     /// Holds the number of loop invariant values that are used in the loop.
710     unsigned LoopInvariantRegs;
711     /// Holds the maximum number of concurrent live intervals in the loop.
712     unsigned MaxLocalUsers;
713     /// Holds the number of instructions in the loop.
714     unsigned NumInstructions;
715   };
716
717   /// \return  information about the register usage of the loop.
718   RegisterUsage calculateRegisterUsage();
719
720 private:
721   /// Returns the expected execution cost. The unit of the cost does
722   /// not matter because we use the 'cost' units to compare different
723   /// vector widths. The cost that is returned is *not* normalized by
724   /// the factor width.
725   unsigned expectedCost(unsigned VF);
726
727   /// Returns the execution time cost of an instruction for a given vector
728   /// width. Vector width of one means scalar.
729   unsigned getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
730
731   /// A helper function for converting Scalar types to vector types.
732   /// If the incoming type is void, we return void. If the VF is 1, we return
733   /// the scalar type.
734   static Type* ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF);
735
736   /// Returns whether the instruction is a load or store and will be a emitted
737   /// as a vector operation.
738   bool isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *I);
739
740   /// The loop that we evaluate.
741   Loop *TheLoop;
742   /// Scev analysis.
743   ScalarEvolution *SE;
744   /// Loop Info analysis.
745   LoopInfo *LI;
746   /// Vectorization legality.
747   LoopVectorizationLegality *Legal;
748   /// Vector target information.
749   const TargetTransformInfo &TTI;
750   /// Target data layout information.
751   DataLayout *DL;
752   /// Target Library Info.
753   const TargetLibraryInfo *TLI;
754 };
755
756 /// Utility class for getting and setting loop vectorizer hints in the form
757 /// of loop metadata.
758 struct LoopVectorizeHints {
759   /// Vectorization width.
760   unsigned Width;
761   /// Vectorization unroll factor.
762   unsigned Unroll;
763
764   LoopVectorizeHints(const Loop *L, bool DisableUnrolling)
765   : Width(VectorizationFactor)
766   , Unroll(DisableUnrolling ? 1 : VectorizationUnroll)
767   , LoopID(L->getLoopID()) {
768     getHints(L);
769     // The command line options override any loop metadata except for when
770     // width == 1 which is used to indicate the loop is already vectorized.
771     if (VectorizationFactor.getNumOccurrences() > 0 && Width != 1)
772       Width = VectorizationFactor;
773     if (VectorizationUnroll.getNumOccurrences() > 0)
774       Unroll = VectorizationUnroll;
775
776     DEBUG(if (DisableUnrolling && Unroll == 1)
777             dbgs() << "LV: Unrolling disabled by the pass manager\n");
778   }
779
780   /// Return the loop vectorizer metadata prefix.
781   static StringRef Prefix() { return "llvm.vectorizer."; }
782
783   MDNode *createHint(LLVMContext &Context, StringRef Name, unsigned V) {
784     SmallVector<Value*, 2> Vals;
785     Vals.push_back(MDString::get(Context, Name));
786     Vals.push_back(ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Context), V));
787     return MDNode::get(Context, Vals);
788   }
789
790   /// Mark the loop L as already vectorized by setting the width to 1.
791   void setAlreadyVectorized(Loop *L) {
792     LLVMContext &Context = L->getHeader()->getContext();
793
794     Width = 1;
795
796     // Create a new loop id with one more operand for the already_vectorized
797     // hint. If the loop already has a loop id then copy the existing operands.
798     SmallVector<Value*, 4> Vals(1);
799     if (LoopID)
800       for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i)
801         Vals.push_back(LoopID->getOperand(i));
802
803     Vals.push_back(createHint(Context, Twine(Prefix(), "width").str(), Width));
804
805     MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, Vals);
806     // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
807     NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
808
809     L->setLoopID(NewLoopID);
810     if (LoopID)
811       LoopID->replaceAllUsesWith(NewLoopID);
812
813     LoopID = NewLoopID;
814   }
815
816 private:
817   MDNode *LoopID;
818
819   /// Find hints specified in the loop metadata.
820   void getHints(const Loop *L) {
821     if (!LoopID)
822       return;
823
824     // First operand should refer to the loop id itself.
825     assert(LoopID->getNumOperands() > 0 && "requires at least one operand");
826     assert(LoopID->getOperand(0) == LoopID && "invalid loop id");
827
828     for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
829       const MDString *S = 0;
830       SmallVector<Value*, 4> Args;
831
832       // The expected hint is either a MDString or a MDNode with the first
833       // operand a MDString.
834       if (const MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i))) {
835         if (!MD || MD->getNumOperands() == 0)
836           continue;
837         S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
838         for (unsigned i = 1, ie = MD->getNumOperands(); i < ie; ++i)
839           Args.push_back(MD->getOperand(i));
840       } else {
841         S = dyn_cast<MDString>(LoopID->getOperand(i));
842         assert(Args.size() == 0 && "too many arguments for MDString");
843       }
844
845       if (!S)
846         continue;
847
848       // Check if the hint starts with the vectorizer prefix.
849       StringRef Hint = S->getString();
850       if (!Hint.startswith(Prefix()))
851         continue;
852       // Remove the prefix.
853       Hint = Hint.substr(Prefix().size(), StringRef::npos);
854
855       if (Args.size() == 1)
856         getHint(Hint, Args[0]);
857     }
858   }
859
860   // Check string hint with one operand.
861   void getHint(StringRef Hint, Value *Arg) {
862     const ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(Arg);
863     if (!C) return;
864     unsigned Val = C->getZExtValue();
865
866     if (Hint == "width") {
867       assert(isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxVectorWidth &&
868              "Invalid width metadata");
869       Width = Val;
870     } else if (Hint == "unroll") {
871       assert(isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxUnrollFactor &&
872              "Invalid unroll metadata");
873       Unroll = Val;
874     } else
875       DEBUG(dbgs() << "LV: ignoring unknown hint " << Hint);
876   }
877 };
878
879 /// The LoopVectorize Pass.
880 struct LoopVectorize : public LoopPass {
881   /// Pass identification, replacement for typeid
882   static char ID;
883
884   explicit LoopVectorize(bool NoUnrolling = false)
885     : LoopPass(ID), DisableUnrolling(NoUnrolling) {
886     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
887   }
888
889   ScalarEvolution *SE;
890   DataLayout *DL;
891   LoopInfo *LI;
892   TargetTransformInfo *TTI;
893   DominatorTree *DT;
894   TargetLibraryInfo *TLI;
895   bool DisableUnrolling;
896
897   virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
898     // We only vectorize innermost loops.
899     if (!L->empty())
900       return false;
901
902     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
903     DL = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
904     LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
905     TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
906     DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
907     TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
908
909     if (DL == NULL) {
910       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing because of missing data layout");
911       return false;
912     }
913
914     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking a loop in \"" <<
915           L->getHeader()->getParent()->getName() << "\"\n");
916
917     LoopVectorizeHints Hints(L, DisableUnrolling);
918
919     if (Hints.Width == 1 && Hints.Unroll == 1) {
920       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing.\n");
921       return false;
922     }
923
924     // Check if it is legal to vectorize the loop.
925     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DL, DT, TLI);
926     if (!LVL.canVectorize()) {
927       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing.\n");
928       return false;
929     }
930
931     // Use the cost model.
932     LoopVectorizationCostModel CM(L, SE, LI, &LVL, *TTI, DL, TLI);
933
934     // Check the function attributes to find out if this function should be
935     // optimized for size.
936     Function *F = L->getHeader()->getParent();
937     Attribute::AttrKind SzAttr = Attribute::OptimizeForSize;
938     Attribute::AttrKind FlAttr = Attribute::NoImplicitFloat;
939     unsigned FnIndex = AttributeSet::FunctionIndex;
940     bool OptForSize = F->getAttributes().hasAttribute(FnIndex, SzAttr);
941     bool NoFloat = F->getAttributes().hasAttribute(FnIndex, FlAttr);
942
943     if (NoFloat) {
944       DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize when the NoImplicitFloat"
945             "attribute is used.\n");
946       return false;
947     }
948
949     // Select the optimal vectorization factor.
950     LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor VF;
951     VF = CM.selectVectorizationFactor(OptForSize, Hints.Width);
952     // Select the unroll factor.
953     unsigned UF = CM.selectUnrollFactor(OptForSize, Hints.Unroll, VF.Width,
954                                         VF.Cost);
955
956     if (VF.Width == 1) {
957       DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial.\n");
958     }
959
960     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop ("<< VF.Width << ") in "<<
961           F->getParent()->getModuleIdentifier()<<"\n");
962     DEBUG(dbgs() << "LV: Unroll Factor is " << UF << "\n");
963
964     if (VF.Width == 1) {
965       if (UF == 1)
966         return false;
967       // We decided not to vectorize, but we may want to unroll.
968       InnerLoopUnroller Unroller(L, SE, LI, DT, DL, TLI, UF);
969       Unroller.vectorize(&LVL);
970     } else {
971       // If we decided that it is *legal* to vectorize the loop then do it.
972       InnerLoopVectorizer LB(L, SE, LI, DT, DL, TLI, VF.Width, UF);
973       LB.vectorize(&LVL);
974     }
975
976     // Mark the loop as already vectorized to avoid vectorizing again.
977     Hints.setAlreadyVectorized(L);
978
979     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
980     return true;
981   }
982
983   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
984     LoopPass::getAnalysisUsage(AU);
985     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
986     AU.addRequiredID(LCSSAID);
987     AU.addRequired<DominatorTree>();
988     AU.addRequired<LoopInfo>();
989     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
990     AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
991     AU.addPreserved<LoopInfo>();
992     AU.addPreserved<DominatorTree>();
993   }
994
995 };
996
997 } // end anonymous namespace
998
999 //===----------------------------------------------------------------------===//
1000 // Implementation of LoopVectorizationLegality, InnerLoopVectorizer and
1001 // LoopVectorizationCostModel.
1002 //===----------------------------------------------------------------------===//
1003
1004 void
1005 LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck::insert(ScalarEvolution *SE,
1006                                                        Loop *Lp, Value *Ptr,
1007                                                        bool WritePtr,
1008                                                        unsigned DepSetId) {
1009   const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
1010   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Sc);
1011   assert(AR && "Invalid addrec expression");
1012   const SCEV *Ex = SE->getBackedgeTakenCount(Lp);
1013   const SCEV *ScEnd = AR->evaluateAtIteration(Ex, *SE);
1014   Pointers.push_back(Ptr);
1015   Starts.push_back(AR->getStart());
1016   Ends.push_back(ScEnd);
1017   IsWritePtr.push_back(WritePtr);
1018   DependencySetId.push_back(DepSetId);
1019 }
1020
1021 Value *InnerLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
1022   // Save the current insertion location.
1023   Instruction *Loc = Builder.GetInsertPoint();
1024
1025   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop.
1026   Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(V);
1027   bool NewInstr = (Instr && Instr->getParent() == LoopVectorBody);
1028   bool Invariant = OrigLoop->isLoopInvariant(V) && !NewInstr;
1029
1030   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
1031   if (Invariant)
1032     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1033
1034   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
1035   Value *Shuf = Builder.CreateVectorSplat(VF, V, "broadcast");
1036
1037   // Restore the builder insertion point.
1038   if (Invariant)
1039     Builder.SetInsertPoint(Loc);
1040
1041   return Shuf;
1042 }
1043
1044 Value *InnerLoopVectorizer::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
1045                                                  bool Negate) {
1046   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
1047   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
1048          "Elem must be an integer");
1049   // Create the types.
1050   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
1051   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
1052   int VLen = Ty->getNumElements();
1053   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
1054
1055   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
1056   for (int i = 0; i < VLen; ++i) {
1057     int64_t Idx = Negate ? (-i) : i;
1058     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, StartIdx + Idx, Negate));
1059   }
1060
1061   // Add the consecutive indices to the vector value.
1062   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
1063   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
1064   return Builder.CreateAdd(Val, Cv, "induction");
1065 }
1066
1067 int LoopVectorizationLegality::isConsecutivePtr(Value *Ptr) {
1068   assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected non ptr");
1069   // Make sure that the pointer does not point to structs.
1070   if (cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType()->isAggregateType())
1071     return 0;
1072
1073   // If this value is a pointer induction variable we know it is consecutive.
1074   PHINode *Phi = dyn_cast_or_null<PHINode>(Ptr);
1075   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1076     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1077     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1078       return 1;
1079     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1080       return -1;
1081   }
1082
1083   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast_or_null<GetElementPtrInst>(Ptr);
1084   if (!Gep)
1085     return 0;
1086
1087   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1088   Value *LastIndex = Gep->getOperand(NumOperands - 1);
1089
1090   Value *GpPtr = Gep->getPointerOperand();
1091   // If this GEP value is a consecutive pointer induction variable and all of
1092   // the indices are constant then we know it is consecutive. We can
1093   Phi = dyn_cast<PHINode>(GpPtr);
1094   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1095
1096     // Make sure that the pointer does not point to structs.
1097     PointerType *GepPtrType = cast<PointerType>(GpPtr->getType());
1098     if (GepPtrType->getElementType()->isAggregateType())
1099       return 0;
1100
1101     // Make sure that all of the index operands are loop invariant.
1102     for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i)
1103       if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1104         return 0;
1105
1106     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1107     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1108       return 1;
1109     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1110       return -1;
1111   }
1112
1113   // Check that all of the gep indices are uniform except for the last.
1114   for (unsigned i = 0; i < NumOperands - 1; ++i)
1115     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1116       return 0;
1117
1118   // We can emit wide load/stores only if the last index is the induction
1119   // variable.
1120   const SCEV *Last = SE->getSCEV(LastIndex);
1121   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
1122     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
1123
1124     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
1125     // and all other indices are loop invariant.
1126     if (Step->isOne())
1127       return 1;
1128     if (Step->isAllOnesValue())
1129       return -1;
1130   }
1131
1132   return 0;
1133 }
1134
1135 bool LoopVectorizationLegality::isUniform(Value *V) {
1136   return (SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(V), TheLoop));
1137 }
1138
1139 InnerLoopVectorizer::VectorParts&
1140 InnerLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
1141   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
1142   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
1143
1144   // If we have this scalar in the map, return it.
1145   if (WidenMap.has(V))
1146     return WidenMap.get(V);
1147
1148   // If this scalar is unknown, assume that it is a constant or that it is
1149   // loop invariant. Broadcast V and save the value for future uses.
1150   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
1151   return WidenMap.splat(V, B);
1152 }
1153
1154 Value *InnerLoopVectorizer::reverseVector(Value *Vec) {
1155   assert(Vec->getType()->isVectorTy() && "Invalid type");
1156   SmallVector<Constant*, 8> ShuffleMask;
1157   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
1158     ShuffleMask.push_back(Builder.getInt32(VF - i - 1));
1159
1160   return Builder.CreateShuffleVector(Vec, UndefValue::get(Vec->getType()),
1161                                      ConstantVector::get(ShuffleMask),
1162                                      "reverse");
1163 }
1164
1165
1166 void InnerLoopVectorizer::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
1167                                              LoopVectorizationLegality *Legal) {
1168   // Attempt to issue a wide load.
1169   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Instr);
1170   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
1171
1172   assert((LI || SI) && "Invalid Load/Store instruction");
1173
1174   Type *ScalarDataTy = LI ? LI->getType() : SI->getValueOperand()->getType();
1175   Type *DataTy = VectorType::get(ScalarDataTy, VF);
1176   Value *Ptr = LI ? LI->getPointerOperand() : SI->getPointerOperand();
1177   unsigned Alignment = LI ? LI->getAlignment() : SI->getAlignment();
1178   unsigned AddressSpace = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
1179   unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ScalarDataTy);
1180   unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(DataTy)/VF;
1181
1182   if (ScalarAllocatedSize != VectorElementSize)
1183     return scalarizeInstruction(Instr);
1184
1185   // If the pointer is loop invariant or if it is non consecutive,
1186   // scalarize the load.
1187   int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
1188   bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
1189   bool UniformLoad = LI && Legal->isUniform(Ptr);
1190   if (!ConsecutiveStride || UniformLoad)
1191     return scalarizeInstruction(Instr);
1192
1193   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1194   VectorParts &Entry = WidenMap.get(Instr);
1195
1196   // Handle consecutive loads/stores.
1197   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
1198   if (Gep && Legal->isInductionVariable(Gep->getPointerOperand())) {
1199     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1200     Value *PtrOperand = Gep->getPointerOperand();
1201     Value *FirstBasePtr = getVectorValue(PtrOperand)[0];
1202     FirstBasePtr = Builder.CreateExtractElement(FirstBasePtr, Zero);
1203
1204     // Create the new GEP with the new induction variable.
1205     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1206     Gep2->setOperand(0, FirstBasePtr);
1207     Gep2->setName("gep.indvar.base");
1208     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1209   } else if (Gep) {
1210     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1211     assert(SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getPointerOperand()),
1212                                OrigLoop) && "Base ptr must be invariant");
1213
1214     // The last index does not have to be the induction. It can be
1215     // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
1216     unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1217     unsigned LastOperand = NumOperands - 1;
1218     // Create the new GEP with the new induction variable.
1219     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1220
1221     for (unsigned i = 0; i < NumOperands; ++i) {
1222       Value *GepOperand = Gep->getOperand(i);
1223       Instruction *GepOperandInst = dyn_cast<Instruction>(GepOperand);
1224
1225       // Update last index or loop invariant instruction anchored in loop.
1226       if (i == LastOperand ||
1227           (GepOperandInst && OrigLoop->contains(GepOperandInst))) {
1228         assert((i == LastOperand ||
1229                SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GepOperandInst), OrigLoop)) &&
1230                "Must be last index or loop invariant");
1231
1232         VectorParts &GEPParts = getVectorValue(GepOperand);
1233         Value *Index = GEPParts[0];
1234         Index = Builder.CreateExtractElement(Index, Zero);
1235         Gep2->setOperand(i, Index);
1236         Gep2->setName("gep.indvar.idx");
1237       }
1238     }
1239     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1240   } else {
1241     // Use the induction element ptr.
1242     assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
1243     setDebugLocFromInst(Builder, Ptr);
1244     VectorParts &PtrVal = getVectorValue(Ptr);
1245     Ptr = Builder.CreateExtractElement(PtrVal[0], Zero);
1246   }
1247
1248   // Handle Stores:
1249   if (SI) {
1250     assert(!Legal->isUniform(SI->getPointerOperand()) &&
1251            "We do not allow storing to uniform addresses");
1252     setDebugLocFromInst(Builder, SI);
1253     // We don't want to update the value in the map as it might be used in
1254     // another expression. So don't use a reference type for "StoredVal".
1255     VectorParts StoredVal = getVectorValue(SI->getValueOperand());
1256
1257     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1258       // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1259       Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1260
1261       if (Reverse) {
1262         // If we store to reverse consecutive memory locations then we need
1263         // to reverse the order of elements in the stored value.
1264         StoredVal[Part] = reverseVector(StoredVal[Part]);
1265         // If the address is consecutive but reversed, then the
1266         // wide store needs to start at the last vector element.
1267         PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1268         PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1269       }
1270
1271       Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1272                                             DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1273       Builder.CreateStore(StoredVal[Part], VecPtr)->setAlignment(Alignment);
1274     }
1275     return;
1276   }
1277
1278   // Handle loads.
1279   assert(LI && "Must have a load instruction");
1280   setDebugLocFromInst(Builder, LI);
1281   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1282     // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1283     Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1284
1285     if (Reverse) {
1286       // If the address is consecutive but reversed, then the
1287       // wide store needs to start at the last vector element.
1288       PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1289       PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1290     }
1291
1292     Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1293                                           DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1294     Value *LI = Builder.CreateLoad(VecPtr, "wide.load");
1295     cast<LoadInst>(LI)->setAlignment(Alignment);
1296     Entry[Part] = Reverse ? reverseVector(LI) :  LI;
1297   }
1298 }
1299
1300 void InnerLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr) {
1301   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
1302   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
1303   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
1304
1305   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
1306
1307   // Find all of the vectorized parameters.
1308   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1309     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
1310
1311     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
1312     if (SrcOp == OldInduction) {
1313       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
1314       continue;
1315     }
1316
1317     // Try using previously calculated values.
1318     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
1319
1320     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
1321     // then it should already be vectorized.
1322     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
1323       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
1324       // The parameter is a vector value from earlier.
1325       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
1326     } else {
1327       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
1328       VectorParts Scalars;
1329       Scalars.append(UF, SrcOp);
1330       Params.push_back(Scalars);
1331     }
1332   }
1333
1334   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
1335          "Invalid number of operands");
1336
1337   // Does this instruction return a value ?
1338   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
1339
1340   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? 0 :
1341     UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
1342   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
1343   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
1344
1345   // For each vector unroll 'part':
1346   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1347     // For each scalar that we create:
1348     for (unsigned Width = 0; Width < VF; ++Width) {
1349       Instruction *Cloned = Instr->clone();
1350       if (!IsVoidRetTy)
1351         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
1352       // Replace the operands of the cloned instrucions with extracted scalars.
1353       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1354         Value *Op = Params[op][Part];
1355         // Param is a vector. Need to extract the right lane.
1356         if (Op->getType()->isVectorTy())
1357           Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(Width));
1358         Cloned->setOperand(op, Op);
1359       }
1360
1361       // Place the cloned scalar in the new loop.
1362       Builder.Insert(Cloned);
1363
1364       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
1365       // so that future users will be able to use it.
1366       if (!IsVoidRetTy)
1367         VecResults[Part] = Builder.CreateInsertElement(VecResults[Part], Cloned,
1368                                                        Builder.getInt32(Width));
1369     }
1370   }
1371 }
1372
1373 Instruction *
1374 InnerLoopVectorizer::addRuntimeCheck(LoopVectorizationLegality *Legal,
1375                                      Instruction *Loc) {
1376   LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck *PtrRtCheck =
1377   Legal->getRuntimePointerCheck();
1378
1379   if (!PtrRtCheck->Need)
1380     return NULL;
1381
1382   unsigned NumPointers = PtrRtCheck->Pointers.size();
1383   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Starts;
1384   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Ends;
1385
1386   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
1387
1388   // Use this type for pointer arithmetic.
1389   Type* PtrArithTy = Type::getInt8PtrTy(Loc->getContext(), 0);
1390
1391   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
1392     Value *Ptr = PtrRtCheck->Pointers[i];
1393     const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
1394
1395     if (SE->isLoopInvariant(Sc, OrigLoop)) {
1396       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for a loop invariant ptr:" <<
1397             *Ptr <<"\n");
1398       Starts.push_back(Ptr);
1399       Ends.push_back(Ptr);
1400     } else {
1401       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for range:" << *Ptr <<"\n");
1402
1403       Value *Start = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Starts[i], PtrArithTy, Loc);
1404       Value *End = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Ends[i], PtrArithTy, Loc);
1405       Starts.push_back(Start);
1406       Ends.push_back(End);
1407     }
1408   }
1409
1410   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
1411   // Our instructions might fold to a constant.
1412   Value *MemoryRuntimeCheck = 0;
1413   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
1414     for (unsigned j = i+1; j < NumPointers; ++j) {
1415       // No need to check if two readonly pointers intersect.
1416       if (!PtrRtCheck->IsWritePtr[i] && !PtrRtCheck->IsWritePtr[j])
1417         continue;
1418
1419       // Only need to check pointers between two different dependency sets.
1420       if (PtrRtCheck->DependencySetId[i] == PtrRtCheck->DependencySetId[j])
1421        continue;
1422
1423       Value *Start0 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[i], PtrArithTy, "bc");
1424       Value *Start1 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[j], PtrArithTy, "bc");
1425       Value *End0 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[i],   PtrArithTy, "bc");
1426       Value *End1 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[j],   PtrArithTy, "bc");
1427
1428       Value *Cmp0 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start0, End1, "bound0");
1429       Value *Cmp1 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start1, End0, "bound1");
1430       Value *IsConflict = ChkBuilder.CreateAnd(Cmp0, Cmp1, "found.conflict");
1431       if (MemoryRuntimeCheck)
1432         IsConflict = ChkBuilder.CreateOr(MemoryRuntimeCheck, IsConflict,
1433                                          "conflict.rdx");
1434       MemoryRuntimeCheck = IsConflict;
1435     }
1436   }
1437
1438   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
1439   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
1440   // the block.
1441   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
1442   Instruction * Check = BinaryOperator::CreateAnd(MemoryRuntimeCheck,
1443                                                   ConstantInt::getTrue(Ctx));
1444   ChkBuilder.Insert(Check, "memcheck.conflict");
1445   return Check;
1446 }
1447
1448 void
1449 InnerLoopVectorizer::createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
1450   /*
1451    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
1452    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
1453    scalar remainder.
1454
1455        [ ] <-- vector loop bypass (may consist of multiple blocks).
1456      /  |
1457     /   v
1458    |   [ ]     <-- vector pre header.
1459    |    |
1460    |    v
1461    |   [  ] \
1462    |   [  ]_|   <-- vector loop.
1463    |    |
1464     \   v
1465       >[ ]   <--- middle-block.
1466      /  |
1467     /   v
1468    |   [ ]     <--- new preheader.
1469    |    |
1470    |    v
1471    |   [ ] \
1472    |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
1473     \   |
1474      \  v
1475       >[ ]     <-- exit block.
1476    ...
1477    */
1478
1479   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
1480   BasicBlock *BypassBlock = OrigLoop->getLoopPreheader();
1481   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
1482   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
1483
1484   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
1485   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
1486   // induction variables. In the code below we also support a case where we
1487   // don't have a single induction variable.
1488   OldInduction = Legal->getInduction();
1489   Type *IdxTy = Legal->getWidestInductionType();
1490
1491   // Find the loop boundaries.
1492   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(OrigLoop);
1493   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
1494
1495   // Get the total trip count from the count by adding 1.
1496   ExitCount = SE->getAddExpr(ExitCount,
1497                              SE->getConstant(ExitCount->getType(), 1));
1498
1499   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
1500   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
1501   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
1502
1503   // Count holds the overall loop count (N).
1504   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
1505                                    BypassBlock->getTerminator());
1506
1507   // The loop index does not have to start at Zero. Find the original start
1508   // value from the induction PHI node. If we don't have an induction variable
1509   // then we know that it starts at zero.
1510   Builder.SetInsertPoint(BypassBlock->getTerminator());
1511   Value *StartIdx = ExtendedIdx = OldInduction ?
1512     Builder.CreateZExt(OldInduction->getIncomingValueForBlock(BypassBlock),
1513                        IdxTy):
1514     ConstantInt::get(IdxTy, 0);
1515
1516   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
1517   LoopBypassBlocks.push_back(BypassBlock);
1518
1519   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
1520   BasicBlock *VectorPH =
1521   BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
1522   BasicBlock *VecBody =
1523   VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
1524   BasicBlock *MiddleBlock =
1525   VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
1526   BasicBlock *ScalarPH =
1527   MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
1528
1529   // Create and register the new vector loop.
1530   Loop* Lp = new Loop();
1531   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
1532
1533   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks
1534   // before calling any utilities such as SCEV that require valid LoopInfo.
1535   if (ParentLoop) {
1536     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
1537     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, LI->getBase());
1538     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, LI->getBase());
1539     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, LI->getBase());
1540   } else {
1541     LI->addTopLevelLoop(Lp);
1542   }
1543   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, LI->getBase());
1544
1545   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
1546   // inside the loop.
1547   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
1548
1549   // Generate the induction variable.
1550   setDebugLocFromInst(Builder, getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
1551   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
1552   // The loop step is equal to the vectorization factor (num of SIMD elements)
1553   // times the unroll factor (num of SIMD instructions).
1554   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF * UF);
1555
1556   // This is the IR builder that we use to add all of the logic for bypassing
1557   // the new vector loop.
1558   IRBuilder<> BypassBuilder(BypassBlock->getTerminator());
1559   setDebugLocFromInst(BypassBuilder,
1560                       getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
1561
1562   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
1563   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
1564   if (Count->getType() != IdxTy) {
1565     // The exit count can be of pointer type. Convert it to the correct
1566     // integer type.
1567     if (ExitCount->getType()->isPointerTy())
1568       Count = BypassBuilder.CreatePointerCast(Count, IdxTy, "ptrcnt.to.int");
1569     else
1570       Count = BypassBuilder.CreateZExtOrTrunc(Count, IdxTy, "cnt.cast");
1571   }
1572
1573   // Add the start index to the loop count to get the new end index.
1574   Value *IdxEnd = BypassBuilder.CreateAdd(Count, StartIdx, "end.idx");
1575
1576   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
1577   // the part that the vectorized body will execute.
1578   Value *R = BypassBuilder.CreateURem(Count, Step, "n.mod.vf");
1579   Value *CountRoundDown = BypassBuilder.CreateSub(Count, R, "n.vec");
1580   Value *IdxEndRoundDown = BypassBuilder.CreateAdd(CountRoundDown, StartIdx,
1581                                                      "end.idx.rnd.down");
1582
1583   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
1584   // jump to the scalar loop.
1585   Value *Cmp = BypassBuilder.CreateICmpEQ(IdxEndRoundDown, StartIdx,
1586                                           "cmp.zero");
1587
1588   BasicBlock *LastBypassBlock = BypassBlock;
1589
1590   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
1591   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
1592   // faster.
1593   Instruction *MemRuntimeCheck = addRuntimeCheck(Legal,
1594                                                  BypassBlock->getTerminator());
1595   if (MemRuntimeCheck) {
1596     // Create a new block containing the memory check.
1597     BasicBlock *CheckBlock = BypassBlock->splitBasicBlock(MemRuntimeCheck,
1598                                                           "vector.memcheck");
1599     if (ParentLoop)
1600       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
1601     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
1602
1603     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
1604     // for the "few elements case".
1605     Instruction *OldTerm = BypassBlock->getTerminator();
1606     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
1607     OldTerm->eraseFromParent();
1608
1609     Cmp = MemRuntimeCheck;
1610     LastBypassBlock = CheckBlock;
1611   }
1612
1613   LastBypassBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
1614   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp,
1615                      LastBypassBlock);
1616
1617   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
1618   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
1619   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
1620   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
1621   // iteration in the vectorized loop.
1622   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original
1623   // start value.
1624
1625   // This variable saves the new starting index for the scalar loop.
1626   PHINode *ResumeIndex = 0;
1627   LoopVectorizationLegality::InductionList::iterator I, E;
1628   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
1629   // Set builder to point to last bypass block.
1630   BypassBuilder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1631   for (I = List->begin(), E = List->end(); I != E; ++I) {
1632     PHINode *OrigPhi = I->first;
1633     LoopVectorizationLegality::InductionInfo II = I->second;
1634
1635     Type *ResumeValTy = (OrigPhi == OldInduction) ? IdxTy : OrigPhi->getType();
1636     PHINode *ResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 2, "resume.val",
1637                                          MiddleBlock->getTerminator());
1638     // We might have extended the type of the induction variable but we need a
1639     // truncated version for the scalar loop.
1640     PHINode *TruncResumeVal = (OrigPhi == OldInduction) ?
1641       PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "trunc.resume.val",
1642                       MiddleBlock->getTerminator()) : 0;
1643
1644     Value *EndValue = 0;
1645     switch (II.IK) {
1646     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
1647       llvm_unreachable("Unknown induction");
1648     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
1649       // Handle the integer induction counter.
1650       assert(OrigPhi->getType()->isIntegerTy() && "Invalid type");
1651
1652       // We have the canonical induction variable.
1653       if (OrigPhi == OldInduction) {
1654         // Create a truncated version of the resume value for the scalar loop,
1655         // we might have promoted the type to a larger width.
1656         EndValue =
1657           BypassBuilder.CreateTrunc(IdxEndRoundDown, OrigPhi->getType());
1658         // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
1659         // or the value at the end of the vectorized loop.
1660         for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1661           TruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
1662         TruncResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
1663
1664         // We know what the end value is.
1665         EndValue = IdxEndRoundDown;
1666         // We also know which PHI node holds it.
1667         ResumeIndex = ResumeVal;
1668         break;
1669       }
1670
1671       // Not the canonical induction variable - add the vector loop count to the
1672       // start value.
1673       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
1674                                                    II.StartValue->getType(),
1675                                                    "cast.crd");
1676       EndValue = BypassBuilder.CreateAdd(CRD, II.StartValue , "ind.end");
1677       break;
1678     }
1679     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction: {
1680       // Convert the CountRoundDown variable to the PHI size.
1681       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
1682                                                    II.StartValue->getType(),
1683                                                    "cast.crd");
1684       // Handle reverse integer induction counter.
1685       EndValue = BypassBuilder.CreateSub(II.StartValue, CRD, "rev.ind.end");
1686       break;
1687     }
1688     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction: {
1689       // For pointer induction variables, calculate the offset using
1690       // the end index.
1691       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, CountRoundDown,
1692                                          "ptr.ind.end");
1693       break;
1694     }
1695     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction: {
1696       // The value at the end of the loop for the reverse pointer is calculated
1697       // by creating a GEP with a negative index starting from the start value.
1698       Value *Zero = ConstantInt::get(CountRoundDown->getType(), 0);
1699       Value *NegIdx = BypassBuilder.CreateSub(Zero, CountRoundDown,
1700                                               "rev.ind.end");
1701       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, NegIdx,
1702                                          "rev.ptr.ind.end");
1703       break;
1704     }
1705     }// end of case
1706
1707     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
1708     // or the value at the end of the vectorized loop.
1709     for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I) {
1710       if (OrigPhi == OldInduction)
1711         ResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
1712       else
1713         ResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
1714     }
1715     ResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
1716
1717     // Fix the scalar body counter (PHI node).
1718     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
1719     // The old inductions phi node in the scalar body needs the truncated value.
1720     if (OrigPhi == OldInduction)
1721       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, TruncResumeVal);
1722     else
1723       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, ResumeVal);
1724   }
1725
1726   // If we are generating a new induction variable then we also need to
1727   // generate the code that calculates the exit value. This value is not
1728   // simply the end of the counter because we may skip the vectorized body
1729   // in case of a runtime check.
1730   if (!OldInduction){
1731     assert(!ResumeIndex && "Unexpected resume value found");
1732     ResumeIndex = PHINode::Create(IdxTy, 2, "new.indc.resume.val",
1733                                   MiddleBlock->getTerminator());
1734     for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1735       ResumeIndex->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
1736     ResumeIndex->addIncoming(IdxEndRoundDown, VecBody);
1737   }
1738
1739   // Make sure that we found the index where scalar loop needs to continue.
1740   assert(ResumeIndex && ResumeIndex->getType()->isIntegerTy() &&
1741          "Invalid resume Index");
1742
1743   // Add a check in the middle block to see if we have completed
1744   // all of the iterations in the first vector loop.
1745   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
1746   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, IdxEnd,
1747                                 ResumeIndex, "cmp.n",
1748                                 MiddleBlock->getTerminator());
1749
1750   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
1751   // Remove the old terminator.
1752   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
1753
1754   // Create i+1 and fill the PHINode.
1755   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
1756   Induction->addIncoming(StartIdx, VectorPH);
1757   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
1758   // Create the compare.
1759   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, IdxEndRoundDown);
1760   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
1761
1762   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
1763   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
1764
1765   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
1766   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
1767
1768   // Save the state.
1769   LoopVectorPreHeader = VectorPH;
1770   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
1771   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
1772   LoopExitBlock = ExitBlock;
1773   LoopVectorBody = VecBody;
1774   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
1775 }
1776
1777 /// This function returns the identity element (or neutral element) for
1778 /// the operation K.
1779 Constant*
1780 LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp) {
1781   switch (K) {
1782   case RK_IntegerXor:
1783   case RK_IntegerAdd:
1784   case RK_IntegerOr:
1785     // Adding, Xoring, Oring zero to a number does not change it.
1786     return ConstantInt::get(Tp, 0);
1787   case RK_IntegerMult:
1788     // Multiplying a number by 1 does not change it.
1789     return ConstantInt::get(Tp, 1);
1790   case RK_IntegerAnd:
1791     // AND-ing a number with an all-1 value does not change it.
1792     return ConstantInt::get(Tp, -1, true);
1793   case  RK_FloatMult:
1794     // Multiplying a number by 1 does not change it.
1795     return ConstantFP::get(Tp, 1.0L);
1796   case  RK_FloatAdd:
1797     // Adding zero to a number does not change it.
1798     return ConstantFP::get(Tp, 0.0L);
1799   default:
1800     llvm_unreachable("Unknown reduction kind");
1801   }
1802 }
1803
1804 static Intrinsic::ID
1805 getIntrinsicIDForCall(CallInst *CI, const TargetLibraryInfo *TLI) {
1806   // If we have an intrinsic call, check if it is trivially vectorizable.
1807   if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(CI)) {
1808     switch (II->getIntrinsicID()) {
1809     case Intrinsic::sqrt:
1810     case Intrinsic::sin:
1811     case Intrinsic::cos:
1812     case Intrinsic::exp:
1813     case Intrinsic::exp2:
1814     case Intrinsic::log:
1815     case Intrinsic::log10:
1816     case Intrinsic::log2:
1817     case Intrinsic::fabs:
1818     case Intrinsic::copysign:
1819     case Intrinsic::floor:
1820     case Intrinsic::ceil:
1821     case Intrinsic::trunc:
1822     case Intrinsic::rint:
1823     case Intrinsic::nearbyint:
1824     case Intrinsic::round:
1825     case Intrinsic::pow:
1826     case Intrinsic::fma:
1827     case Intrinsic::fmuladd:
1828     case Intrinsic::lifetime_start:
1829     case Intrinsic::lifetime_end:
1830       return II->getIntrinsicID();
1831     default:
1832       return Intrinsic::not_intrinsic;
1833     }
1834   }
1835
1836   if (!TLI)
1837     return Intrinsic::not_intrinsic;
1838
1839   LibFunc::Func Func;
1840   Function *F = CI->getCalledFunction();
1841   // We're going to make assumptions on the semantics of the functions, check
1842   // that the target knows that it's available in this environment.
1843   if (!F || !TLI->getLibFunc(F->getName(), Func))
1844     return Intrinsic::not_intrinsic;
1845
1846   // Otherwise check if we have a call to a function that can be turned into a
1847   // vector intrinsic.
1848   switch (Func) {
1849   default:
1850     break;
1851   case LibFunc::sin:
1852   case LibFunc::sinf:
1853   case LibFunc::sinl:
1854     return Intrinsic::sin;
1855   case LibFunc::cos:
1856   case LibFunc::cosf:
1857   case LibFunc::cosl:
1858     return Intrinsic::cos;
1859   case LibFunc::exp:
1860   case LibFunc::expf:
1861   case LibFunc::expl:
1862     return Intrinsic::exp;
1863   case LibFunc::exp2:
1864   case LibFunc::exp2f:
1865   case LibFunc::exp2l:
1866     return Intrinsic::exp2;
1867   case LibFunc::log:
1868   case LibFunc::logf:
1869   case LibFunc::logl:
1870     return Intrinsic::log;
1871   case LibFunc::log10:
1872   case LibFunc::log10f:
1873   case LibFunc::log10l:
1874     return Intrinsic::log10;
1875   case LibFunc::log2:
1876   case LibFunc::log2f:
1877   case LibFunc::log2l:
1878     return Intrinsic::log2;
1879   case LibFunc::fabs:
1880   case LibFunc::fabsf:
1881   case LibFunc::fabsl:
1882     return Intrinsic::fabs;
1883   case LibFunc::copysign:
1884   case LibFunc::copysignf:
1885   case LibFunc::copysignl:
1886     return Intrinsic::copysign;
1887   case LibFunc::floor:
1888   case LibFunc::floorf:
1889   case LibFunc::floorl:
1890     return Intrinsic::floor;
1891   case LibFunc::ceil:
1892   case LibFunc::ceilf:
1893   case LibFunc::ceill:
1894     return Intrinsic::ceil;
1895   case LibFunc::trunc:
1896   case LibFunc::truncf:
1897   case LibFunc::truncl:
1898     return Intrinsic::trunc;
1899   case LibFunc::rint:
1900   case LibFunc::rintf:
1901   case LibFunc::rintl:
1902     return Intrinsic::rint;
1903   case LibFunc::nearbyint:
1904   case LibFunc::nearbyintf:
1905   case LibFunc::nearbyintl:
1906     return Intrinsic::nearbyint;
1907   case LibFunc::round:
1908   case LibFunc::roundf:
1909   case LibFunc::roundl:
1910     return Intrinsic::round;
1911   case LibFunc::pow:
1912   case LibFunc::powf:
1913   case LibFunc::powl:
1914     return Intrinsic::pow;
1915   }
1916
1917   return Intrinsic::not_intrinsic;
1918 }
1919
1920 /// This function translates the reduction kind to an LLVM binary operator.
1921 static unsigned
1922 getReductionBinOp(LoopVectorizationLegality::ReductionKind Kind) {
1923   switch (Kind) {
1924     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAdd:
1925       return Instruction::Add;
1926     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMult:
1927       return Instruction::Mul;
1928     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerOr:
1929       return Instruction::Or;
1930     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAnd:
1931       return Instruction::And;
1932     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerXor:
1933       return Instruction::Xor;
1934     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMult:
1935       return Instruction::FMul;
1936     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatAdd:
1937       return Instruction::FAdd;
1938     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax:
1939       return Instruction::ICmp;
1940     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax:
1941       return Instruction::FCmp;
1942     default:
1943       llvm_unreachable("Unknown reduction operation");
1944   }
1945 }
1946
1947 Value *createMinMaxOp(IRBuilder<> &Builder,
1948                       LoopVectorizationLegality::MinMaxReductionKind RK,
1949                       Value *Left,
1950                       Value *Right) {
1951   CmpInst::Predicate P = CmpInst::ICMP_NE;
1952   switch (RK) {
1953   default:
1954     llvm_unreachable("Unknown min/max reduction kind");
1955   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMin:
1956     P = CmpInst::ICMP_ULT;
1957     break;
1958   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMax:
1959     P = CmpInst::ICMP_UGT;
1960     break;
1961   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMin:
1962     P = CmpInst::ICMP_SLT;
1963     break;
1964   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMax:
1965     P = CmpInst::ICMP_SGT;
1966     break;
1967   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin:
1968     P = CmpInst::FCMP_OLT;
1969     break;
1970   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax:
1971     P = CmpInst::FCMP_OGT;
1972     break;
1973   }
1974
1975   Value *Cmp;
1976   if (RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin ||
1977       RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax)
1978     Cmp = Builder.CreateFCmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
1979   else
1980     Cmp = Builder.CreateICmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
1981
1982   Value *Select = Builder.CreateSelect(Cmp, Left, Right, "rdx.minmax.select");
1983   return Select;
1984 }
1985
1986 void
1987 InnerLoopVectorizer::vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
1988   //===------------------------------------------------===//
1989   //
1990   // Notice: any optimization or new instruction that go
1991   // into the code below should be also be implemented in
1992   // the cost-model.
1993   //
1994   //===------------------------------------------------===//
1995   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1996
1997   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
1998   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
1999   // stages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
2000   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
2001   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
2002   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
2003   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
2004   // construct the PHI.
2005   PhiVector RdxPHIsToFix;
2006
2007   // Scan the loop in a topological order to ensure that defs are vectorized
2008   // before users.
2009   LoopBlocksDFS DFS(OrigLoop);
2010   DFS.perform(LI);
2011
2012   // Vectorize all of the blocks in the original loop.
2013   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
2014        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb)
2015     vectorizeBlockInLoop(Legal, *bb, &RdxPHIsToFix);
2016
2017   // At this point every instruction in the original loop is widened to
2018   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
2019   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
2020   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
2021   // that we need to fix are reduction variables.
2022
2023   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
2024   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
2025   // after the loop is finished.
2026   for (PhiVector::iterator it = RdxPHIsToFix.begin(), e = RdxPHIsToFix.end();
2027        it != e; ++it) {
2028     PHINode *RdxPhi = *it;
2029     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
2030
2031     // Find the reduction variable descriptor.
2032     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
2033            "Unable to find the reduction variable");
2034     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
2035     (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
2036
2037     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.StartValue);
2038
2039     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
2040     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and overide
2041     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
2042     // to do it in the vector-loop preheader.
2043     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.front()->getTerminator());
2044
2045     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
2046     VectorParts &VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2047     Type *VecTy = VectorExit[0]->getType();
2048
2049     // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
2050     // one for multiplication, -1 for And.
2051     Value *Identity;
2052     Value *VectorStart;
2053     if (RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax ||
2054         RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax) {
2055       // MinMax reduction have the start value as their identify.
2056       if (VF == 1) {
2057         VectorStart = Identity = RdxDesc.StartValue;
2058       } else {
2059         VectorStart = Identity = Builder.CreateVectorSplat(VF,
2060                                                            RdxDesc.StartValue,
2061                                                            "minmax.ident");
2062       }
2063     } else {
2064       // Handle other reduction kinds:
2065       Constant *Iden =
2066       LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(RdxDesc.Kind,
2067                                                       VecTy->getScalarType());
2068       if (VF == 1) {
2069         Identity = Iden;
2070         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2071         // incoming scalar reduction.
2072         VectorStart = RdxDesc.StartValue;
2073       } else {
2074         Identity = ConstantVector::getSplat(VF, Iden);
2075
2076         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2077         // incoming scalar reduction.
2078         VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
2079                                                   RdxDesc.StartValue, Zero);
2080       }
2081     }
2082
2083     // Fix the vector-loop phi.
2084     // We created the induction variable so we know that the
2085     // preheader is the first entry.
2086     BasicBlock *VecPreheader = Induction->getIncomingBlock(0);
2087
2088     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
2089     // any loop invariant values.
2090     VectorParts &VecRdxPhi = WidenMap.get(RdxPhi);
2091     BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
2092     Value *LoopVal = RdxPhi->getIncomingValueForBlock(Latch);
2093     VectorParts &Val = getVectorValue(LoopVal);
2094     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2095       // Make sure to add the reduction stat value only to the
2096       // first unroll part.
2097       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2098       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(StartVal, VecPreheader);
2099       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(Val[part], LoopVectorBody);
2100     }
2101
2102     // Before each round, move the insertion point right between
2103     // the PHIs and the values we are going to write.
2104     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
2105     // instructions.
2106     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
2107
2108     VectorParts RdxParts;
2109     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.LoopExitInstr);
2110     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2111       // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
2112       // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
2113       VectorParts &RdxExitVal = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2114       PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
2115       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2116       for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2117         NewPhi->addIncoming(StartVal, LoopBypassBlocks[I]);
2118       NewPhi->addIncoming(RdxExitVal[part], LoopVectorBody);
2119       RdxParts.push_back(NewPhi);
2120     }
2121
2122     // Reduce all of the unrolled parts into a single vector.
2123     Value *ReducedPartRdx = RdxParts[0];
2124     unsigned Op = getReductionBinOp(RdxDesc.Kind);
2125     setDebugLocFromInst(Builder, ReducedPartRdx);
2126     for (unsigned part = 1; part < UF; ++part) {
2127       if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2128         ReducedPartRdx = Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op,
2129                                              RdxParts[part], ReducedPartRdx,
2130                                              "bin.rdx");
2131       else
2132         ReducedPartRdx = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind,
2133                                         ReducedPartRdx, RdxParts[part]);
2134     }
2135
2136     if (VF > 1) {
2137       // VF is a power of 2 so we can emit the reduction using log2(VF) shuffles
2138       // and vector ops, reducing the set of values being computed by half each
2139       // round.
2140       assert(isPowerOf2_32(VF) &&
2141              "Reduction emission only supported for pow2 vectors!");
2142       Value *TmpVec = ReducedPartRdx;
2143       SmallVector<Constant*, 32> ShuffleMask(VF, 0);
2144       for (unsigned i = VF; i != 1; i >>= 1) {
2145         // Move the upper half of the vector to the lower half.
2146         for (unsigned j = 0; j != i/2; ++j)
2147           ShuffleMask[j] = Builder.getInt32(i/2 + j);
2148
2149         // Fill the rest of the mask with undef.
2150         std::fill(&ShuffleMask[i/2], ShuffleMask.end(),
2151                   UndefValue::get(Builder.getInt32Ty()));
2152
2153         Value *Shuf =
2154         Builder.CreateShuffleVector(TmpVec,
2155                                     UndefValue::get(TmpVec->getType()),
2156                                     ConstantVector::get(ShuffleMask),
2157                                     "rdx.shuf");
2158
2159         if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2160           TmpVec = Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op, TmpVec, Shuf,
2161                                        "bin.rdx");
2162         else
2163           TmpVec = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind, TmpVec, Shuf);
2164       }
2165
2166       // The result is in the first element of the vector.
2167       ReducedPartRdx = Builder.CreateExtractElement(TmpVec,
2168                                                     Builder.getInt32(0));
2169     }
2170
2171     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
2172     // inside and outside of the scalar remainder loop.
2173     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
2174     // PHI nodes in the exit blocks.
2175     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2176          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2177       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2178       if (!LCSSAPhi) continue;
2179
2180       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
2181       // we already fixed them.
2182       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
2183
2184       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
2185       // incoming bypass edge.
2186       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
2187         // Add an edge coming from the bypass.
2188         LCSSAPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2189         break;
2190       }
2191     }// end of the LCSSA phi scan.
2192
2193     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
2194     // from the vector body and from the backedge value.
2195     int IncomingEdgeBlockIdx =
2196     (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(OrigLoop->getLoopLatch());
2197     assert(IncomingEdgeBlockIdx >= 0 && "Invalid block index");
2198     // Pick the other block.
2199     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1);
2200     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, ReducedPartRdx);
2201     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
2202   }// end of for each redux variable.
2203  
2204   fixLCSSAPHIs();
2205 }
2206
2207 void InnerLoopVectorizer::fixLCSSAPHIs() {
2208   for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2209        LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2210     PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2211     if (!LCSSAPhi) continue;
2212     if (LCSSAPhi->getNumIncomingValues() == 1)
2213       LCSSAPhi->addIncoming(UndefValue::get(LCSSAPhi->getType()),
2214                             LoopMiddleBlock);
2215   }
2216
2217
2218 InnerLoopVectorizer::VectorParts
2219 InnerLoopVectorizer::createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst) {
2220   assert(std::find(pred_begin(Dst), pred_end(Dst), Src) != pred_end(Dst) &&
2221          "Invalid edge");
2222
2223   // Look for cached value.
2224   std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*> Edge(Src, Dst);
2225   EdgeMaskCache::iterator ECEntryIt = MaskCache.find(Edge);
2226   if (ECEntryIt != MaskCache.end())
2227     return ECEntryIt->second;
2228
2229   VectorParts SrcMask = createBlockInMask(Src);
2230
2231   // The terminator has to be a branch inst!
2232   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Src->getTerminator());
2233   assert(BI && "Unexpected terminator found");
2234
2235   if (BI->isConditional()) {
2236     VectorParts EdgeMask = getVectorValue(BI->getCondition());
2237
2238     if (BI->getSuccessor(0) != Dst)
2239       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2240         EdgeMask[part] = Builder.CreateNot(EdgeMask[part]);
2241
2242     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2243       EdgeMask[part] = Builder.CreateAnd(EdgeMask[part], SrcMask[part]);
2244
2245     MaskCache[Edge] = EdgeMask;
2246     return EdgeMask;
2247   }
2248
2249   MaskCache[Edge] = SrcMask;
2250   return SrcMask;
2251 }
2252
2253 InnerLoopVectorizer::VectorParts
2254 InnerLoopVectorizer::createBlockInMask(BasicBlock *BB) {
2255   assert(OrigLoop->contains(BB) && "Block is not a part of a loop");
2256
2257   // Loop incoming mask is all-one.
2258   if (OrigLoop->getHeader() == BB) {
2259     Value *C = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 1);
2260     return getVectorValue(C);
2261   }
2262
2263   // This is the block mask. We OR all incoming edges, and with zero.
2264   Value *Zero = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 0);
2265   VectorParts BlockMask = getVectorValue(Zero);
2266
2267   // For each pred:
2268   for (pred_iterator it = pred_begin(BB), e = pred_end(BB); it != e; ++it) {
2269     VectorParts EM = createEdgeMask(*it, BB);
2270     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2271       BlockMask[part] = Builder.CreateOr(BlockMask[part], EM[part]);
2272   }
2273
2274   return BlockMask;
2275 }
2276
2277 void InnerLoopVectorizer::widenPHIInstruction(Instruction *PN,
2278                                               InnerLoopVectorizer::VectorParts &Entry,
2279                                               LoopVectorizationLegality *Legal,
2280                                               unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV) {
2281   PHINode* P = cast<PHINode>(PN);
2282   // Handle reduction variables:
2283   if (Legal->getReductionVars()->count(P)) {
2284     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2285       // This is phase one of vectorizing PHIs.
2286       Type *VecTy = (VF == 1) ? PN->getType() :
2287       VectorType::get(PN->getType(), VF);
2288       Entry[part] = PHINode::Create(VecTy, 2, "vec.phi",
2289                                     LoopVectorBody-> getFirstInsertionPt());
2290     }
2291     PV->push_back(P);
2292     return;
2293   }
2294
2295   setDebugLocFromInst(Builder, P);
2296   // Check for PHI nodes that are lowered to vector selects.
2297   if (P->getParent() != OrigLoop->getHeader()) {
2298     // We know that all PHIs in non header blocks are converted into
2299     // selects, so we don't have to worry about the insertion order and we
2300     // can just use the builder.
2301     // At this point we generate the predication tree. There may be
2302     // duplications since this is a simple recursive scan, but future
2303     // optimizations will clean it up.
2304
2305     unsigned NumIncoming = P->getNumIncomingValues();
2306
2307     // Generate a sequence of selects of the form:
2308     // SELECT(Mask3, In3,
2309     //      SELECT(Mask2, In2,
2310     //                   ( ...)))
2311     for (unsigned In = 0; In < NumIncoming; In++) {
2312       VectorParts Cond = createEdgeMask(P->getIncomingBlock(In),
2313                                         P->getParent());
2314       VectorParts &In0 = getVectorValue(P->getIncomingValue(In));
2315
2316       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2317         // We might have single edge PHIs (blocks) - use an identity
2318         // 'select' for the first PHI operand.
2319         if (In == 0)
2320           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
2321                                              In0[part]);
2322         else
2323           // Select between the current value and the previous incoming edge
2324           // based on the incoming mask.
2325           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
2326                                              Entry[part], "predphi");
2327       }
2328     }
2329     return;
2330   }
2331
2332   // This PHINode must be an induction variable.
2333   // Make sure that we know about it.
2334   assert(Legal->getInductionVars()->count(P) &&
2335          "Not an induction variable");
2336
2337   LoopVectorizationLegality::InductionInfo II =
2338   Legal->getInductionVars()->lookup(P);
2339
2340   switch (II.IK) {
2341     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
2342       llvm_unreachable("Unknown induction");
2343     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
2344       assert(P->getType() == II.StartValue->getType() && "Types must match");
2345       Type *PhiTy = P->getType();
2346       Value *Broadcasted;
2347       if (P == OldInduction) {
2348         // Handle the canonical induction variable. We might have had to
2349         // extend the type.
2350         Broadcasted = Builder.CreateTrunc(Induction, PhiTy);
2351       } else {
2352         // Handle other induction variables that are now based on the
2353         // canonical one.
2354         Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, ExtendedIdx,
2355                                                  "normalized.idx");
2356         NormalizedIdx = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, PhiTy);
2357         Broadcasted = Builder.CreateAdd(II.StartValue, NormalizedIdx,
2358                                         "offset.idx");
2359       }
2360       Broadcasted = getBroadcastInstrs(Broadcasted);
2361       // After broadcasting the induction variable we need to make the vector
2362       // consecutive by adding 0, 1, 2, etc.
2363       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2364         Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * part, false);
2365       return;
2366     }
2367     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction:
2368     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction:
2369     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction:
2370       // Handle reverse integer and pointer inductions.
2371       Value *StartIdx = ExtendedIdx;
2372       // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
2373       Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, StartIdx,
2374                                                "normalized.idx");
2375
2376       // Handle the reverse integer induction variable case.
2377       if (LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction == II.IK) {
2378         IntegerType *DstTy = cast<IntegerType>(II.StartValue->getType());
2379         Value *CNI = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, DstTy,
2380                                                "resize.norm.idx");
2381         Value *ReverseInd  = Builder.CreateSub(II.StartValue, CNI,
2382                                                "reverse.idx");
2383
2384         // This is a new value so do not hoist it out.
2385         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ReverseInd);
2386         // After broadcasting the induction variable we need to make the
2387         // vector consecutive by adding  ... -3, -2, -1, 0.
2388         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2389           Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, -(int)VF * part,
2390                                              true);
2391         return;
2392       }
2393
2394       // Handle the pointer induction variable case.
2395       assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
2396
2397       // Is this a reverse induction ptr or a consecutive induction ptr.
2398       bool Reverse = (LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction ==
2399                       II.IK);
2400
2401       // This is the vector of results. Notice that we don't generate
2402       // vector geps because scalar geps result in better code.
2403       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2404         if (VF == 1) {
2405           int EltIndex = (part) * (Reverse ? -1 : 1);
2406           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
2407           Value *GlobalIdx;
2408           if (Reverse)
2409             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
2410           else
2411             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
2412
2413           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
2414                                              "next.gep");
2415           Entry[part] = SclrGep;
2416           continue;
2417         }
2418
2419         Value *VecVal = UndefValue::get(VectorType::get(P->getType(), VF));
2420         for (unsigned int i = 0; i < VF; ++i) {
2421           int EltIndex = (i + part * VF) * (Reverse ? -1 : 1);
2422           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
2423           Value *GlobalIdx;
2424           if (!Reverse)
2425             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
2426           else
2427             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
2428
2429           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
2430                                              "next.gep");
2431           VecVal = Builder.CreateInsertElement(VecVal, SclrGep,
2432                                                Builder.getInt32(i),
2433                                                "insert.gep");
2434         }
2435         Entry[part] = VecVal;
2436       }
2437       return;
2438   }
2439 }
2440
2441 void
2442 InnerLoopVectorizer::vectorizeBlockInLoop(LoopVectorizationLegality *Legal,
2443                                           BasicBlock *BB, PhiVector *PV) {
2444   // For each instruction in the old loop.
2445   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
2446     VectorParts &Entry = WidenMap.get(it);
2447     switch (it->getOpcode()) {
2448     case Instruction::Br:
2449       // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
2450       // loop control flow instructions.
2451       continue;
2452     case Instruction::PHI:{
2453       // Vectorize PHINodes.
2454       widenPHIInstruction(it, Entry, Legal, UF, VF, PV);
2455       continue;
2456     }// End of PHI.
2457
2458     case Instruction::Add:
2459     case Instruction::FAdd:
2460     case Instruction::Sub:
2461     case Instruction::FSub:
2462     case Instruction::Mul:
2463     case Instruction::FMul:
2464     case Instruction::UDiv:
2465     case Instruction::SDiv:
2466     case Instruction::FDiv:
2467     case Instruction::URem:
2468     case Instruction::SRem:
2469     case Instruction::FRem:
2470     case Instruction::Shl:
2471     case Instruction::LShr:
2472     case Instruction::AShr:
2473     case Instruction::And:
2474     case Instruction::Or:
2475     case Instruction::Xor: {
2476       // Just widen binops.
2477       BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(it);
2478       setDebugLocFromInst(Builder, BinOp);
2479       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2480       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
2481
2482       // Use this vector value for all users of the original instruction.
2483       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2484         Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A[Part], B[Part]);
2485
2486         // Update the NSW, NUW and Exact flags. Notice: V can be an Undef.
2487         BinaryOperator *VecOp = dyn_cast<BinaryOperator>(V);
2488         if (VecOp && isa<OverflowingBinaryOperator>(BinOp)) {
2489           VecOp->setHasNoSignedWrap(BinOp->hasNoSignedWrap());
2490           VecOp->setHasNoUnsignedWrap(BinOp->hasNoUnsignedWrap());
2491         }
2492         if (VecOp && isa<PossiblyExactOperator>(VecOp))
2493           VecOp->setIsExact(BinOp->isExact());
2494
2495         Entry[Part] = V;
2496       }
2497       break;
2498     }
2499     case Instruction::Select: {
2500       // Widen selects.
2501       // If the selector is loop invariant we can create a select
2502       // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
2503       bool InvariantCond = SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(it->getOperand(0)),
2504                                                OrigLoop);
2505       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2506
2507       // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
2508       // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
2509       // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
2510       // Instcombine will make this a no-op.
2511       VectorParts &Cond = getVectorValue(it->getOperand(0));
2512       VectorParts &Op0  = getVectorValue(it->getOperand(1));
2513       VectorParts &Op1  = getVectorValue(it->getOperand(2));
2514
2515       Value *ScalarCond = (VF == 1) ? Cond[0] :
2516         Builder.CreateExtractElement(Cond[0], Builder.getInt32(0));
2517
2518       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2519         Entry[Part] = Builder.CreateSelect(
2520           InvariantCond ? ScalarCond : Cond[Part],
2521           Op0[Part],
2522           Op1[Part]);
2523       }
2524       break;
2525     }
2526
2527     case Instruction::ICmp:
2528     case Instruction::FCmp: {
2529       // Widen compares. Generate vector compares.
2530       bool FCmp = (it->getOpcode() == Instruction::FCmp);
2531       CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(it);
2532       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2533       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2534       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
2535       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2536         Value *C = 0;
2537         if (FCmp)
2538           C = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
2539         else
2540           C = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
2541         Entry[Part] = C;
2542       }
2543       break;
2544     }
2545
2546     case Instruction::Store:
2547     case Instruction::Load:
2548         vectorizeMemoryInstruction(it, Legal);
2549         break;
2550     case Instruction::ZExt:
2551     case Instruction::SExt:
2552     case Instruction::FPToUI:
2553     case Instruction::FPToSI:
2554     case Instruction::FPExt:
2555     case Instruction::PtrToInt:
2556     case Instruction::IntToPtr:
2557     case Instruction::SIToFP:
2558     case Instruction::UIToFP:
2559     case Instruction::Trunc:
2560     case Instruction::FPTrunc:
2561     case Instruction::BitCast: {
2562       CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(it);
2563       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2564       /// Optimize the special case where the source is the induction
2565       /// variable. Notice that we can only optimize the 'trunc' case
2566       /// because: a. FP conversions lose precision, b. sext/zext may wrap,
2567       /// c. other casts depend on pointer size.
2568       if (CI->getOperand(0) == OldInduction &&
2569           it->getOpcode() == Instruction::Trunc) {
2570         Value *ScalarCast = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), Induction,
2571                                                CI->getType());
2572         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ScalarCast);
2573         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
2574           Entry[Part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * Part, false);
2575         break;
2576       }
2577       /// Vectorize casts.
2578       Type *DestTy = (VF == 1) ? CI->getType() :
2579                                  VectorType::get(CI->getType(), VF);
2580
2581       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2582       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
2583         Entry[Part] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A[Part], DestTy);
2584       break;
2585     }
2586
2587     case Instruction::Call: {
2588       // Ignore dbg intrinsics.
2589       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
2590         break;
2591       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2592
2593       Module *M = BB->getParent()->getParent();
2594       CallInst *CI = cast<CallInst>(it);
2595       Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
2596       assert(ID && "Not an intrinsic call!");
2597       switch (ID) {
2598       case Intrinsic::lifetime_end:
2599       case Intrinsic::lifetime_start:
2600         scalarizeInstruction(it);
2601         break;
2602       default:
2603         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2604           SmallVector<Value *, 4> Args;
2605           for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i) {
2606             VectorParts &Arg = getVectorValue(CI->getArgOperand(i));
2607             Args.push_back(Arg[Part]);
2608           }
2609           Type *Tys[] = {CI->getType()};
2610           if (VF > 1)
2611             Tys[0] = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
2612
2613           Function *F = Intrinsic::getDeclaration(M, ID, Tys);
2614           Entry[Part] = Builder.CreateCall(F, Args);
2615         }
2616         break;
2617       }
2618       break;
2619     }
2620
2621     default:
2622       // All other instructions are unsupported. Scalarize them.
2623       scalarizeInstruction(it);
2624       break;
2625     }// end of switch.
2626   }// end of for_each instr.
2627 }
2628
2629 void InnerLoopVectorizer::updateAnalysis() {
2630   // Forget the original basic block.
2631   SE->forgetLoop(OrigLoop);
2632
2633   // Update the dominator tree information.
2634   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlocks.front(), LoopExitBlock) &&
2635          "Entry does not dominate exit.");
2636
2637   for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2638     DT->addNewBlock(LoopBypassBlocks[I], LoopBypassBlocks[I-1]);
2639   DT->addNewBlock(LoopVectorPreHeader, LoopBypassBlocks.back());
2640   DT->addNewBlock(LoopVectorBody, LoopVectorPreHeader);
2641   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock, LoopBypassBlocks.front());
2642   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopMiddleBlock);
2643   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
2644   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopMiddleBlock);
2645
2646   DEBUG(DT->verifyAnalysis());
2647 }
2648
2649 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeWithIfConvert() {
2650   if (!EnableIfConversion)
2651     return false;
2652
2653   assert(TheLoop->getNumBlocks() > 1 && "Single block loops are vectorizable");
2654   std::vector<BasicBlock*> &LoopBlocks = TheLoop->getBlocksVector();
2655
2656   // A list of pointers that we can safely read and write to.
2657   SmallPtrSet<Value *, 8> SafePointes;
2658
2659   // Collect safe addresses.
2660   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i < e; ++i) {
2661     BasicBlock *BB = LoopBlocks[i];
2662
2663     if (blockNeedsPredication(BB))
2664       continue;
2665
2666     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
2667       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
2668         SafePointes.insert(LI->getPointerOperand());
2669       else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
2670         SafePointes.insert(SI->getPointerOperand());
2671     }
2672   }
2673
2674   // Collect the blocks that need predication.
2675   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i < e; ++i) {
2676     BasicBlock *BB = LoopBlocks[i];
2677
2678     // We don't support switch statements inside loops.
2679     if (!isa<BranchInst>(BB->getTerminator()))
2680       return false;
2681
2682     // We must be able to predicate all blocks that need to be predicated.
2683     if (blockNeedsPredication(BB) && !blockCanBePredicated(BB, SafePointes))
2684       return false;
2685   }
2686
2687   // We can if-convert this loop.
2688   return true;
2689 }
2690
2691 bool LoopVectorizationLegality::canVectorize() {
2692   // We must have a loop in canonical form. Loops with indirectbr in them cannot
2693   // be canonicalized.
2694   if (!TheLoop->getLoopPreheader())
2695     return false;
2696
2697   // We can only vectorize innermost loops.
2698   if (TheLoop->getSubLoopsVector().size())
2699     return false;
2700
2701   // We must have a single backedge.
2702   if (TheLoop->getNumBackEdges() != 1)
2703     return false;
2704
2705   // We must have a single exiting block.
2706   if (!TheLoop->getExitingBlock())
2707     return false;
2708
2709   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
2710
2711   // Check if we can if-convert non single-bb loops.
2712   if (NumBlocks != 1 && !canVectorizeWithIfConvert()) {
2713     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't if-convert the loop.\n");
2714     return false;
2715   }
2716
2717   // We need to have a loop header.
2718   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
2719   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " <<
2720         TheLoop->getHeader()->getName() << "\n");
2721
2722   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
2723   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(TheLoop);
2724   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
2725     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
2726     return false;
2727   }
2728
2729   // Do not loop-vectorize loops with a tiny trip count.
2730   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop, Latch);
2731   if (TC > 0u && TC < TinyTripCountVectorThreshold) {
2732     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. " <<
2733           "This loop is not worth vectorizing.\n");
2734     return false;
2735   }
2736
2737   // Check if we can vectorize the instructions and CFG in this loop.
2738   if (!canVectorizeInstrs()) {
2739     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize the instructions or CFG\n");
2740     return false;
2741   }
2742
2743   // Go over each instruction and look at memory deps.
2744   if (!canVectorizeMemory()) {
2745     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize due to memory conflicts\n");
2746     return false;
2747   }
2748
2749   // Collect all of the variables that remain uniform after vectorization.
2750   collectLoopUniforms();
2751
2752   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop" <<
2753         (PtrRtCheck.Need ? " (with a runtime bound check)" : "")
2754         <<"!\n");
2755
2756   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
2757   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return true with
2758   // no restrictions.
2759   return true;
2760 }
2761
2762 static Type *convertPointerToIntegerType(DataLayout &DL, Type *Ty) {
2763   if (Ty->isPointerTy())
2764     return DL.getIntPtrType(Ty);
2765
2766   return Ty;
2767 }
2768
2769 static Type* getWiderType(DataLayout &DL, Type *Ty0, Type *Ty1) {
2770   Ty0 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty0);
2771   Ty1 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty1);
2772   if (Ty0->getScalarSizeInBits() > Ty1->getScalarSizeInBits())
2773     return Ty0;
2774   return Ty1;
2775 }
2776
2777 /// \brief Check that the instruction has outside loop users and is not an
2778 /// identified reduction variable.
2779 static bool hasOutsideLoopUser(const Loop *TheLoop, Instruction *Inst,
2780                                SmallPtrSet<Value *, 4> &Reductions) {
2781   // Reduction instructions are allowed to have exit users. All other
2782   // instructions must not have external users.
2783   if (!Reductions.count(Inst))
2784     //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
2785     for (Value::use_iterator I = Inst->use_begin(), E = Inst->use_end();
2786          I != E; ++I) {
2787       Instruction *U = cast<Instruction>(*I);
2788       // This user may be a reduction exit value.
2789       if (!TheLoop->contains(U)) {
2790         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : "<< *U << "\n");
2791         return true;
2792       }
2793     }
2794   return false;
2795 }
2796
2797 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeInstrs() {
2798   BasicBlock *PreHeader = TheLoop->getLoopPreheader();
2799   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
2800
2801   // Look for the attribute signaling the absence of NaNs.
2802   Function &F = *Header->getParent();
2803   if (F.hasFnAttribute("no-nans-fp-math"))
2804     HasFunNoNaNAttr = F.getAttributes().getAttribute(
2805       AttributeSet::FunctionIndex,
2806       "no-nans-fp-math").getValueAsString() == "true";
2807
2808   // For each block in the loop.
2809   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
2810        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
2811
2812     // Scan the instructions in the block and look for hazards.
2813     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
2814          ++it) {
2815
2816       if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(it)) {
2817         Type *PhiTy = Phi->getType();
2818         // Check that this PHI type is allowed.
2819         if (!PhiTy->isIntegerTy() &&
2820             !PhiTy->isFloatingPointTy() &&
2821             !PhiTy->isPointerTy()) {
2822           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int non-pointer PHI.\n");
2823           return false;
2824         }
2825
2826         // If this PHINode is not in the header block, then we know that we
2827         // can convert it to select during if-conversion. No need to check if
2828         // the PHIs in this block are induction or reduction variables.
2829         if (*bb != Header) {
2830           // Check that this instruction has no outside users or is an
2831           // identified reduction value with an outside user.
2832           if(!hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
2833             continue;
2834           return false;
2835         }
2836
2837         // We only allow if-converted PHIs with more than two incoming values.
2838         if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
2839           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
2840           return false;
2841         }
2842
2843         // This is the value coming from the preheader.
2844         Value *StartValue = Phi->getIncomingValueForBlock(PreHeader);
2845         // Check if this is an induction variable.
2846         InductionKind IK = isInductionVariable(Phi);
2847
2848         if (IK_NoInduction != IK) {
2849           // Get the widest type.
2850           if (!WidestIndTy)
2851             WidestIndTy = convertPointerToIntegerType(*DL, PhiTy);
2852           else
2853             WidestIndTy = getWiderType(*DL, PhiTy, WidestIndTy);
2854
2855           // Int inductions are special because we only allow one IV.
2856           if (IK == IK_IntInduction) {
2857             // Use the phi node with the widest type as induction. Use the last
2858             // one if there are multiple (no good reason for doing this other
2859             // than it is expedient).
2860             if (!Induction || PhiTy == WidestIndTy)
2861               Induction = Phi;
2862           }
2863
2864           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an induction variable.\n");
2865           Inductions[Phi] = InductionInfo(StartValue, IK);
2866           continue;
2867         }
2868
2869         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAdd)) {
2870           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2871           continue;
2872         }
2873         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMult)) {
2874           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MUL reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2875           continue;
2876         }
2877         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerOr)) {
2878           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an OR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2879           continue;
2880         }
2881         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAnd)) {
2882           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an AND reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2883           continue;
2884         }
2885         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerXor)) {
2886           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a XOR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2887           continue;
2888         }
2889         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMinMax)) {
2890           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2891           continue;
2892         }
2893         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMult)) {
2894           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FMult reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2895           continue;
2896         }
2897         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatAdd)) {
2898           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FAdd reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2899           continue;
2900         }
2901         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMinMax)) {
2902           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an float MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<
2903                 "\n");
2904           continue;
2905         }
2906
2907         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
2908         return false;
2909       }// end of PHI handling
2910
2911       // We still don't handle functions. However, we can ignore dbg intrinsic
2912       // calls and we do handle certain intrinsic and libm functions.
2913       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(it);
2914       if (CI && !getIntrinsicIDForCall(CI, TLI) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(CI)) {
2915         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site.\n");
2916         return false;
2917       }
2918
2919       // Check that the instruction return type is vectorizable.
2920       if (!VectorType::isValidElementType(it->getType()) &&
2921           !it->getType()->isVoidTy()) {
2922         DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type." << "\n");
2923         return false;
2924       }
2925
2926       // Check that the stored type is vectorizable.
2927       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it)) {
2928         Type *T = ST->getValueOperand()->getType();
2929         if (!VectorType::isValidElementType(T))
2930           return false;
2931       }
2932
2933       // Reduction instructions are allowed to have exit users.
2934       // All other instructions must not have external users.
2935       if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
2936         return false;
2937
2938     } // next instr.
2939
2940   }
2941
2942   if (!Induction) {
2943     DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find one integer induction var.\n");
2944     if (Inductions.empty())
2945       return false;
2946   }
2947
2948   return true;
2949 }
2950
2951 void LoopVectorizationLegality::collectLoopUniforms() {
2952   // We now know that the loop is vectorizable!
2953   // Collect variables that will remain uniform after vectorization.
2954   std::vector<Value*> Worklist;
2955   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
2956
2957   // Start with the conditional branch and walk up the block.
2958   Worklist.push_back(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
2959
2960   while (Worklist.size()) {
2961     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.back());
2962     Worklist.pop_back();
2963
2964     // Look at instructions inside this loop.
2965     // Stop when reaching PHI nodes.
2966     // TODO: we need to follow values all over the loop, not only in this block.
2967     if (!I || !TheLoop->contains(I) || isa<PHINode>(I))
2968       continue;
2969
2970     // This is a known uniform.
2971     Uniforms.insert(I);
2972
2973     // Insert all operands.
2974     Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
2975   }
2976 }
2977
2978 namespace {
2979 /// \brief Analyses memory accesses in a loop.
2980 ///
2981 /// Checks whether run time pointer checks are needed and builds sets for data
2982 /// dependence checking.
2983 class AccessAnalysis {
2984 public:
2985   /// \brief Read or write access location.
2986   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
2987   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
2988
2989   /// \brief Set of potential dependent memory accesses.
2990   typedef EquivalenceClasses<MemAccessInfo> DepCandidates;
2991
2992   AccessAnalysis(DataLayout *Dl, DepCandidates &DA) :
2993     DL(Dl), DepCands(DA), AreAllWritesIdentified(true),
2994     AreAllReadsIdentified(true), IsRTCheckNeeded(false) {}
2995
2996   /// \brief Register a load  and whether it is only read from.
2997   void addLoad(Value *Ptr, bool IsReadOnly) {
2998     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, false));
2999     if (IsReadOnly)
3000       ReadOnlyPtr.insert(Ptr);
3001   }
3002
3003   /// \brief Register a store.
3004   void addStore(Value *Ptr) {
3005     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, true));
3006   }
3007
3008   /// \brief Check whether we can check the pointers at runtime for
3009   /// non-intersection.
3010   bool canCheckPtrAtRT(LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
3011                        unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE,
3012                        Loop *TheLoop);
3013
3014   /// \brief Goes over all memory accesses, checks whether a RT check is needed
3015   /// and builds sets of dependent accesses.
3016   void buildDependenceSets() {
3017     // Process read-write pointers first.
3018     processMemAccesses(false);
3019     // Next, process read pointers.
3020     processMemAccesses(true);
3021   }
3022
3023   bool isRTCheckNeeded() { return IsRTCheckNeeded; }
3024
3025   bool isDependencyCheckNeeded() { return !CheckDeps.empty(); }
3026
3027   MemAccessInfoSet &getDependenciesToCheck() { return CheckDeps; }
3028
3029 private:
3030   typedef SetVector<MemAccessInfo> PtrAccessSet;
3031   typedef DenseMap<Value*, MemAccessInfo> UnderlyingObjToAccessMap;
3032
3033   /// \brief Go over all memory access or only the deferred ones if
3034   /// \p UseDeferred is true and check whether runtime pointer checks are needed
3035   /// and build sets of dependency check candidates.
3036   void processMemAccesses(bool UseDeferred);
3037
3038   /// Set of all accesses.
3039   PtrAccessSet Accesses;
3040
3041   /// Set of access to check after all writes have been processed.
3042   PtrAccessSet DeferredAccesses;
3043
3044   /// Map of pointers to last access encountered.
3045   UnderlyingObjToAccessMap ObjToLastAccess;
3046
3047   /// Set of accesses that need a further dependence check.
3048   MemAccessInfoSet CheckDeps;
3049
3050   /// Set of pointers that are read only.
3051   SmallPtrSet<Value*, 16> ReadOnlyPtr;
3052
3053   /// Set of underlying objects already written to.
3054   SmallPtrSet<Value*, 16> WriteObjects;
3055
3056   DataLayout *DL;
3057
3058   /// Sets of potentially dependent accesses - members of one set share an
3059   /// underlying pointer. The set "CheckDeps" identfies which sets really need a
3060   /// dependence check.
3061   DepCandidates &DepCands;
3062
3063   bool AreAllWritesIdentified;
3064   bool AreAllReadsIdentified;
3065   bool IsRTCheckNeeded;
3066 };
3067
3068 } // end anonymous namespace
3069
3070 /// \brief Check whether a pointer can participate in a runtime bounds check.
3071 static bool hasComputableBounds(ScalarEvolution *SE, Value *Ptr) {
3072   const SCEV *PtrScev = SE->getSCEV(Ptr);
3073   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
3074   if (!AR)
3075     return false;
3076
3077   return AR->isAffine();
3078 }
3079
3080 bool AccessAnalysis::canCheckPtrAtRT(
3081                        LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
3082                         unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE,
3083                         Loop *TheLoop) {
3084   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
3085   // to place a runtime bound check.
3086   unsigned NumReadPtrChecks = 0;
3087   unsigned NumWritePtrChecks = 0;
3088   bool CanDoRT = true;
3089
3090   bool IsDepCheckNeeded = isDependencyCheckNeeded();
3091   // We assign consecutive id to access from different dependence sets.
3092   // Accesses within the same set don't need a runtime check.
3093   unsigned RunningDepId = 1;
3094   DenseMap<Value *, unsigned> DepSetId;
3095
3096   for (PtrAccessSet::iterator AI = Accesses.begin(), AE = Accesses.end();
3097        AI != AE; ++AI) {
3098     const MemAccessInfo &Access = *AI;
3099     Value *Ptr = Access.getPointer();
3100     bool IsWrite = Access.getInt();
3101
3102     // Just add write checks if we have both.
3103     if (!IsWrite && Accesses.count(MemAccessInfo(Ptr, true)))
3104       continue;
3105
3106     if (IsWrite)
3107       ++NumWritePtrChecks;
3108     else
3109       ++NumReadPtrChecks;
3110
3111     if (hasComputableBounds(SE, Ptr)) {
3112       // The id of the dependence set.
3113       unsigned DepId;
3114
3115       if (IsDepCheckNeeded) {
3116         Value *Leader = DepCands.getLeaderValue(Access).getPointer();
3117         unsigned &LeaderId = DepSetId[Leader];
3118         if (!LeaderId)
3119           LeaderId = RunningDepId++;
3120         DepId = LeaderId;
3121       } else
3122         // Each access has its own dependence set.
3123         DepId = RunningDepId++;
3124
3125       RtCheck.insert(SE, TheLoop, Ptr, IsWrite, DepId);
3126
3127       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << *Ptr <<"\n");
3128     } else {
3129       CanDoRT = false;
3130     }
3131   }
3132
3133   if (IsDepCheckNeeded && CanDoRT && RunningDepId == 2)
3134     NumComparisons = 0; // Only one dependence set.
3135   else
3136     NumComparisons = (NumWritePtrChecks * (NumReadPtrChecks +
3137                                            NumWritePtrChecks - 1));
3138   return CanDoRT;
3139 }
3140
3141 static bool isFunctionScopeIdentifiedObject(Value *Ptr) {
3142   return isNoAliasArgument(Ptr) || isNoAliasCall(Ptr) || isa<AllocaInst>(Ptr);
3143 }
3144
3145 void AccessAnalysis::processMemAccesses(bool UseDeferred) {
3146   // We process the set twice: first we process read-write pointers, last we
3147   // process read-only pointers. This allows us to skip dependence tests for
3148   // read-only pointers.
3149
3150   PtrAccessSet &S = UseDeferred ? DeferredAccesses : Accesses;
3151   for (PtrAccessSet::iterator AI = S.begin(), AE = S.end(); AI != AE; ++AI) {
3152     const MemAccessInfo &Access = *AI;
3153     Value *Ptr = Access.getPointer();
3154     bool IsWrite = Access.getInt();
3155
3156     DepCands.insert(Access);
3157
3158     // Memorize read-only pointers for later processing and skip them in the
3159     // first round (they need to be checked after we have seen all write
3160     // pointers). Note: we also mark pointer that are not consecutive as
3161     // "read-only" pointers (so that we check "a[b[i]] +="). Hence, we need the
3162     // second check for "!IsWrite".
3163     bool IsReadOnlyPtr = ReadOnlyPtr.count(Ptr) && !IsWrite;
3164     if (!UseDeferred && IsReadOnlyPtr) {
3165       DeferredAccesses.insert(Access);
3166       continue;
3167     }
3168
3169     bool NeedDepCheck = false;
3170     // Check whether there is the possiblity of dependency because of underlying
3171     // objects being the same.
3172     typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
3173     ValueVector TempObjects;
3174     GetUnderlyingObjects(Ptr, TempObjects, DL);
3175     for (ValueVector::iterator UI = TempObjects.begin(), UE = TempObjects.end();
3176          UI != UE; ++UI) {
3177       Value *UnderlyingObj = *UI;
3178
3179       // If this is a write then it needs to be an identified object.  If this a
3180       // read and all writes (so far) are identified function scope objects we
3181       // don't need an identified underlying object but only an Argument (the
3182       // next write is going to invalidate this assumption if it is
3183       // unidentified).
3184       // This is a micro-optimization for the case where all writes are
3185       // identified and we have one argument pointer.
3186       // Otherwise, we do need a runtime check.
3187       if ((IsWrite && !isFunctionScopeIdentifiedObject(UnderlyingObj)) ||
3188           (!IsWrite && (!AreAllWritesIdentified ||
3189                         !isa<Argument>(UnderlyingObj)) &&
3190            !isIdentifiedObject(UnderlyingObj))) {
3191         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified " <<
3192               (IsWrite ?  "write" : "read" ) << " ptr:" << *UnderlyingObj <<
3193               "\n");
3194         IsRTCheckNeeded = (IsRTCheckNeeded ||
3195                            !isIdentifiedObject(UnderlyingObj) ||
3196                            !AreAllReadsIdentified);
3197
3198         if (IsWrite)
3199           AreAllWritesIdentified = false;
3200         if (!IsWrite)
3201           AreAllReadsIdentified = false;
3202       }
3203
3204       // If this is a write - check other reads and writes for conflicts.  If
3205       // this is a read only check other writes for conflicts (but only if there
3206       // is no other write to the ptr - this is an optimization to catch "a[i] =
3207       // a[i] + " without having to do a dependence check).
3208       if ((IsWrite || IsReadOnlyPtr) && WriteObjects.count(UnderlyingObj))
3209         NeedDepCheck = true;
3210
3211       if (IsWrite)
3212         WriteObjects.insert(UnderlyingObj);
3213
3214       // Create sets of pointers connected by shared underlying objects.
3215       UnderlyingObjToAccessMap::iterator Prev =
3216         ObjToLastAccess.find(UnderlyingObj);
3217       if (Prev != ObjToLastAccess.end())
3218         DepCands.unionSets(Access, Prev->second);
3219
3220       ObjToLastAccess[UnderlyingObj] = Access;
3221     }
3222
3223     if (NeedDepCheck)
3224       CheckDeps.insert(Access);
3225   }
3226 }
3227
3228 namespace {
3229 /// \brief Checks memory dependences among accesses to the same underlying
3230 /// object to determine whether there vectorization is legal or not (and at
3231 /// which vectorization factor).
3232 ///
3233 /// This class works under the assumption that we already checked that memory
3234 /// locations with different underlying pointers are "must-not alias".
3235 /// We use the ScalarEvolution framework to symbolically evalutate access
3236 /// functions pairs. Since we currently don't restructure the loop we can rely
3237 /// on the program order of memory accesses to determine their safety.
3238 /// At the moment we will only deem accesses as safe for:
3239 ///  * A negative constant distance assuming program order.
3240 ///
3241 ///      Safe: tmp = a[i + 1];     OR     a[i + 1] = x;
3242 ///            a[i] = tmp;                y = a[i];
3243 ///
3244 ///   The latter case is safe because later checks guarantuee that there can't
3245 ///   be a cycle through a phi node (that is, we check that "x" and "y" is not
3246 ///   the same variable: a header phi can only be an induction or a reduction, a
3247 ///   reduction can't have a memory sink, an induction can't have a memory
3248 ///   source). This is important and must not be violated (or we have to
3249 ///   resort to checking for cycles through memory).
3250 ///
3251 ///  * A positive constant distance assuming program order that is bigger
3252 ///    than the biggest memory access.
3253 ///
3254 ///     tmp = a[i]        OR              b[i] = x
3255 ///     a[i+2] = tmp                      y = b[i+2];
3256 ///
3257 ///     Safe distance: 2 x sizeof(a[0]), and 2 x sizeof(b[0]), respectively.
3258 ///
3259 ///  * Zero distances and all accesses have the same size.
3260 ///
3261 class MemoryDepChecker {
3262 public:
3263   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
3264   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
3265
3266   MemoryDepChecker(ScalarEvolution *Se, DataLayout *Dl, const Loop *L) :
3267     SE(Se), DL(Dl), InnermostLoop(L), AccessIdx(0) {}
3268
3269   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
3270   /// of a write access.
3271   void addAccess(StoreInst *SI) {
3272     Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
3273     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, true)].push_back(AccessIdx);
3274     InstMap.push_back(SI);
3275     ++AccessIdx;
3276   }
3277
3278   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
3279   /// of a write access.
3280   void addAccess(LoadInst *LI) {
3281     Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
3282     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, false)].push_back(AccessIdx);
3283     InstMap.push_back(LI);
3284     ++AccessIdx;
3285   }
3286
3287   /// \brief Check whether the dependencies between the accesses are safe.
3288   ///
3289   /// Only checks sets with elements in \p CheckDeps.
3290   bool areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
3291                    MemAccessInfoSet &CheckDeps);
3292
3293   /// \brief The maximum number of bytes of a vector register we can vectorize
3294   /// the accesses safely with.
3295   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return MaxSafeDepDistBytes; }
3296
3297 private:
3298   ScalarEvolution *SE;
3299   DataLayout *DL;
3300   const Loop *InnermostLoop;
3301
3302   /// \brief Maps access locations (ptr, read/write) to program order.
3303   DenseMap<MemAccessInfo, std::vector<unsigned> > Accesses;
3304
3305   /// \brief Memory access instructions in program order.
3306   SmallVector<Instruction *, 16> InstMap;
3307
3308   /// \brief The program order index to be used for the next instruction.
3309   unsigned AccessIdx;
3310
3311   // We can access this many bytes in parallel safely.
3312   unsigned MaxSafeDepDistBytes;
3313
3314   /// \brief Check whether there is a plausible dependence between the two
3315   /// accesses.
3316   ///
3317   /// Access \p A must happen before \p B in program order. The two indices
3318   /// identify the index into the program order map.
3319   ///
3320   /// This function checks  whether there is a plausible dependence (or the
3321   /// absence of such can't be proved) between the two accesses. If there is a
3322   /// plausible dependence but the dependence distance is bigger than one
3323   /// element access it records this distance in \p MaxSafeDepDistBytes (if this
3324   /// distance is smaller than any other distance encountered so far).
3325   /// Otherwise, this function returns true signaling a possible dependence.
3326   bool isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
3327                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx);
3328
3329   /// \brief Check whether the data dependence could prevent store-load
3330   /// forwarding.
3331   bool couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance, unsigned TypeByteSize);
3332 };
3333
3334 } // end anonymous namespace
3335
3336 static bool isInBoundsGep(Value *Ptr) {
3337   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr))
3338     return GEP->isInBounds();
3339   return false;
3340 }
3341
3342 /// \brief Check whether the access through \p Ptr has a constant stride.
3343 static int isStridedPtr(ScalarEvolution *SE, DataLayout *DL, Value *Ptr,
3344                         const Loop *Lp) {
3345   const Type *Ty = Ptr->getType();
3346   assert(Ty->isPointerTy() && "Unexpected non ptr");
3347
3348   // Make sure that the pointer does not point to aggregate types.
3349   const PointerType *PtrTy = cast<PointerType>(Ty);
3350   if (PtrTy->getElementType()->isAggregateType()) {
3351     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a pointer to a scalar type" << *Ptr <<
3352           "\n");
3353     return 0;
3354   }
3355
3356   const SCEV *PtrScev = SE->getSCEV(Ptr);
3357   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
3358   if (!AR) {
3359     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not an AddRecExpr pointer "
3360           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3361     return 0;
3362   }
3363
3364   // The accesss function must stride over the innermost loop.
3365   if (Lp != AR->getLoop()) {
3366     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not striding over innermost loop " <<
3367           *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3368   }
3369
3370   // The address calculation must not wrap. Otherwise, a dependence could be
3371   // inverted.
3372   // An inbounds getelementptr that is a AddRec with a unit stride
3373   // cannot wrap per definition. The unit stride requirement is checked later.
3374   // An getelementptr without an inbounds attribute and unit stride would have
3375   // to access the pointer value "0" which is undefined behavior in address
3376   // space 0, therefore we can also vectorize this case.
3377   bool IsInBoundsGEP = isInBoundsGep(Ptr);
3378   bool IsNoWrapAddRec = AR->getNoWrapFlags(SCEV::NoWrapMask);
3379   bool IsInAddressSpaceZero = PtrTy->getAddressSpace() == 0;
3380   if (!IsNoWrapAddRec && !IsInBoundsGEP && !IsInAddressSpaceZero) {
3381     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Pointer may wrap in the address space "
3382           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3383     return 0;
3384   }
3385
3386   // Check the step is constant.
3387   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
3388
3389   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
3390   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
3391   if (!C) {
3392     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a constant strided " << *Ptr <<
3393           " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3394     return 0;
3395   }
3396
3397   int64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
3398   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
3399
3400   // Huge step value - give up.
3401   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
3402     return 0;
3403
3404   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
3405
3406   // Strided access.
3407   int64_t Stride = StepVal / Size;
3408   int64_t Rem = StepVal % Size;
3409   if (Rem)
3410     return 0;
3411
3412   // If the SCEV could wrap but we have an inbounds gep with a unit stride we
3413   // know we can't "wrap around the address space". In case of address space
3414   // zero we know that this won't happen without triggering undefined behavior.
3415   if (!IsNoWrapAddRec && (IsInBoundsGEP || IsInAddressSpaceZero) &&
3416       Stride != 1 && Stride != -1)
3417     return 0;
3418
3419   return Stride;
3420 }
3421
3422 bool MemoryDepChecker::couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance,
3423                                                     unsigned TypeByteSize) {
3424   // If loads occur at a distance that is not a multiple of a feasible vector
3425   // factor store-load forwarding does not take place.
3426   // Positive dependences might cause troubles because vectorizing them might
3427   // prevent store-load forwarding making vectorized code run a lot slower.
3428   //   a[i] = a[i-3] ^ a[i-8];
3429   //   The stores to a[i:i+1] don't align with the stores to a[i-3:i-2] and
3430   //   hence on your typical architecture store-load forwarding does not take
3431   //   place. Vectorizing in such cases does not make sense.
3432   // Store-load forwarding distance.
3433   const unsigned NumCyclesForStoreLoadThroughMemory = 8*TypeByteSize;
3434   // Maximum vector factor.
3435   unsigned MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxVectorWidth*TypeByteSize;
3436   if(MaxSafeDepDistBytes < MaxVFWithoutSLForwardIssues)
3437     MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxSafeDepDistBytes;
3438
3439   for (unsigned vf = 2*TypeByteSize; vf <= MaxVFWithoutSLForwardIssues;
3440        vf *= 2) {
3441     if (Distance % vf && Distance / vf < NumCyclesForStoreLoadThroughMemory) {
3442       MaxVFWithoutSLForwardIssues = (vf >>=1);
3443       break;
3444     }
3445   }
3446
3447   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues< 2*TypeByteSize) {
3448     DEBUG(dbgs() << "LV: Distance " << Distance <<
3449           " that could cause a store-load forwarding conflict\n");
3450     return true;
3451   }
3452
3453   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues < MaxSafeDepDistBytes &&
3454       MaxVFWithoutSLForwardIssues != MaxVectorWidth*TypeByteSize)
3455     MaxSafeDepDistBytes = MaxVFWithoutSLForwardIssues;
3456   return false;
3457 }
3458
3459 bool MemoryDepChecker::isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
3460                                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx) {
3461   assert (AIdx < BIdx && "Must pass arguments in program order");
3462
3463   Value *APtr = A.getPointer();
3464   Value *BPtr = B.getPointer();
3465   bool AIsWrite = A.getInt();
3466   bool BIsWrite = B.getInt();
3467
3468   // Two reads are independent.
3469   if (!AIsWrite && !BIsWrite)
3470     return false;
3471
3472   const SCEV *AScev = SE->getSCEV(APtr);
3473   const SCEV *BScev = SE->getSCEV(BPtr);
3474
3475   int StrideAPtr = isStridedPtr(SE, DL, APtr, InnermostLoop);
3476   int StrideBPtr = isStridedPtr(SE, DL, BPtr, InnermostLoop);
3477
3478   const SCEV *Src = AScev;
3479   const SCEV *Sink = BScev;
3480
3481   // If the induction step is negative we have to invert source and sink of the
3482   // dependence.
3483   if (StrideAPtr < 0) {
3484     //Src = BScev;
3485     //Sink = AScev;
3486     std::swap(APtr, BPtr);
3487     std::swap(Src, Sink);
3488     std::swap(AIsWrite, BIsWrite);
3489     std::swap(AIdx, BIdx);
3490     std::swap(StrideAPtr, StrideBPtr);
3491   }
3492
3493   const SCEV *Dist = SE->getMinusSCEV(Sink, Src);
3494
3495   DEBUG(dbgs() << "LV: Src Scev: " << *Src << "Sink Scev: " << *Sink
3496         << "(Induction step: " << StrideAPtr <<  ")\n");
3497   DEBUG(dbgs() << "LV: Distance for " << *InstMap[AIdx] << " to "
3498         << *InstMap[BIdx] << ": " << *Dist << "\n");
3499
3500   // Need consecutive accesses. We don't want to vectorize
3501   // "A[B[i]] += ..." and similar code or pointer arithmetic that could wrap in
3502   // the address space.
3503   if (!StrideAPtr || !StrideBPtr || StrideAPtr != StrideBPtr){
3504     DEBUG(dbgs() << "Non-consecutive pointer access\n");
3505     return true;
3506   }
3507
3508   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Dist);
3509   if (!C) {
3510     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence because of non constant distance\n");
3511     return true;
3512   }
3513
3514   Type *ATy = APtr->getType()->getPointerElementType();
3515   Type *BTy = BPtr->getType()->getPointerElementType();
3516   unsigned TypeByteSize = DL->getTypeAllocSize(ATy);
3517
3518   // Negative distances are not plausible dependencies.
3519   const APInt &Val = C->getValue()->getValue();
3520   if (Val.isNegative()) {
3521     bool IsTrueDataDependence = (AIsWrite && !BIsWrite);
3522     if (IsTrueDataDependence &&
3523         (couldPreventStoreLoadForward(Val.abs().getZExtValue(), TypeByteSize) ||
3524          ATy != BTy))
3525       return true;
3526
3527     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence is negative: NoDep\n");
3528     return false;
3529   }
3530
3531   // Write to the same location with the same size.
3532   // Could be improved to assert type sizes are the same (i32 == float, etc).
3533   if (Val == 0) {
3534     if (ATy == BTy)
3535       return false;
3536     DEBUG(dbgs() << "LV: Zero dependence difference but different types");
3537     return true;
3538   }
3539
3540   assert(Val.isStrictlyPositive() && "Expect a positive value");
3541
3542   // Positive distance bigger than max vectorization factor.
3543   if (ATy != BTy) {
3544     DEBUG(dbgs() <<
3545           "LV: ReadWrite-Write positive dependency with different types");
3546     return false;
3547   }
3548
3549   unsigned Distance = (unsigned) Val.getZExtValue();
3550
3551   // Bail out early if passed-in parameters make vectorization not feasible.
3552   unsigned ForcedFactor = VectorizationFactor ? VectorizationFactor : 1;
3553   unsigned ForcedUnroll = VectorizationUnroll ? VectorizationUnroll : 1;
3554
3555   // The distance must be bigger than the size needed for a vectorized version
3556   // of the operation and the size of the vectorized operation must not be
3557   // bigger than the currrent maximum size.
3558   if (Distance < 2*TypeByteSize ||
3559       2*TypeByteSize > MaxSafeDepDistBytes ||
3560       Distance < TypeByteSize * ForcedUnroll * ForcedFactor) {
3561     DEBUG(dbgs() << "LV: Failure because of Positive distance "
3562         << Val.getSExtValue() << "\n");
3563     return true;
3564   }
3565
3566   MaxSafeDepDistBytes = Distance < MaxSafeDepDistBytes ?
3567     Distance : MaxSafeDepDistBytes;
3568
3569   bool IsTrueDataDependence = (!AIsWrite && BIsWrite);
3570   if (IsTrueDataDependence &&
3571       couldPreventStoreLoadForward(Distance, TypeByteSize))
3572      return true;
3573
3574   DEBUG(dbgs() << "LV: Positive distance " << Val.getSExtValue() <<
3575         " with max VF=" << MaxSafeDepDistBytes/TypeByteSize << "\n");
3576
3577   return false;
3578 }
3579
3580 bool
3581 MemoryDepChecker::areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
3582                               MemAccessInfoSet &CheckDeps) {
3583
3584   MaxSafeDepDistBytes = -1U;
3585   while (!CheckDeps.empty()) {
3586     MemAccessInfo CurAccess = *CheckDeps.begin();
3587
3588     // Get the relevant memory access set.
3589     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::iterator I =
3590       AccessSets.findValue(AccessSets.getLeaderValue(CurAccess));
3591
3592     // Check accesses within this set.
3593     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator AI, AE;
3594     AI = AccessSets.member_begin(I), AE = AccessSets.member_end();
3595
3596     // Check every access pair.
3597     while (AI != AE) {
3598       CheckDeps.erase(*AI);
3599       EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator OI = llvm::next(AI);
3600       while (OI != AE) {
3601         // Check every accessing instruction pair in program order.
3602         for (std::vector<unsigned>::iterator I1 = Accesses[*AI].begin(),
3603              I1E = Accesses[*AI].end(); I1 != I1E; ++I1)
3604           for (std::vector<unsigned>::iterator I2 = Accesses[*OI].begin(),
3605                I2E = Accesses[*OI].end(); I2 != I2E; ++I2) {
3606             if (*I1 < *I2 && isDependent(*AI, *I1, *OI, *I2))
3607               return false;
3608             if (*I2 < *I1 && isDependent(*OI, *I2, *AI, *I1))
3609               return false;
3610           }
3611         ++OI;
3612       }
3613       AI++;
3614     }
3615   }
3616   return true;
3617 }
3618
3619 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory() {
3620
3621   typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
3622   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
3623
3624   // Holds the Load and Store *instructions*.
3625   ValueVector Loads;
3626   ValueVector Stores;
3627
3628   // Holds all the different accesses in the loop.
3629   unsigned NumReads = 0;
3630   unsigned NumReadWrites = 0;
3631
3632   PtrRtCheck.Pointers.clear();
3633   PtrRtCheck.Need = false;
3634
3635   const bool IsAnnotatedParallel = TheLoop->isAnnotatedParallel();
3636   MemoryDepChecker DepChecker(SE, DL, TheLoop);
3637
3638   // For each block.
3639   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
3640        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
3641
3642     // Scan the BB and collect legal loads and stores.
3643     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
3644          ++it) {
3645
3646       // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
3647       // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
3648       // calls that read or write.
3649       if (it->mayReadFromMemory()) {
3650         // Many math library functions read the rounding mode. We will only
3651         // vectorize a loop if it contains known function calls that don't set
3652         // the flag. Therefore, it is safe to ignore this read from memory.
3653         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(it);
3654         if (Call && getIntrinsicIDForCall(Call, TLI))
3655           continue;
3656
3657         LoadInst *Ld = dyn_cast<LoadInst>(it);
3658         if (!Ld) return false;
3659         if (!Ld->isSimple() && !IsAnnotatedParallel) {
3660           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple load.\n");
3661           return false;
3662         }
3663         Loads.push_back(Ld);
3664         DepChecker.addAccess(Ld);
3665         continue;
3666       }
3667
3668       // Save 'store' instructions. Abort if other instructions write to memory.
3669       if (it->mayWriteToMemory()) {
3670         StoreInst *St = dyn_cast<StoreInst>(it);
3671         if (!St) return false;
3672         if (!St->isSimple() && !IsAnnotatedParallel) {
3673           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple store.\n");
3674           return false;
3675         }
3676         Stores.push_back(St);
3677         DepChecker.addAccess(St);
3678       }
3679     } // next instr.
3680   } // next block.
3681
3682   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
3683   // Next, we find the pointers that they use.
3684
3685   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
3686   // care if the pointers are *restrict*.
3687   if (!Stores.size()) {
3688     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a read-only loop!\n");
3689     return true;
3690   }
3691
3692   AccessAnalysis::DepCandidates DependentAccesses;
3693   AccessAnalysis Accesses(DL, DependentAccesses);
3694
3695   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
3696   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
3697   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
3698   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
3699   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
3700   ValueSet Seen;
3701
3702   ValueVector::iterator I, IE;
3703   for (I = Stores.begin(), IE = Stores.end(); I != IE; ++I) {
3704     StoreInst *ST = cast<StoreInst>(*I);
3705     Value* Ptr = ST->getPointerOperand();
3706
3707     if (isUniform(Ptr)) {
3708       DEBUG(dbgs() << "LV: We don't allow storing to uniform addresses\n");
3709       return false;
3710     }
3711
3712     // If we did *not* see this pointer before, insert it to  the read-write
3713     // list. At this phase it is only a 'write' list.
3714     if (Seen.insert(Ptr)) {
3715       ++NumReadWrites;
3716       Accesses.addStore(Ptr);
3717     }
3718   }
3719
3720   if (IsAnnotatedParallel) {
3721     DEBUG(dbgs()
3722           << "LV: A loop annotated parallel, ignore memory dependency "
3723           << "checks.\n");
3724     return true;
3725   }
3726
3727   SmallPtrSet<Value *, 16> ReadOnlyPtr;
3728   for (I = Loads.begin(), IE = Loads.end(); I != IE; ++I) {
3729     LoadInst *LD = cast<LoadInst>(*I);
3730     Value* Ptr = LD->getPointerOperand();
3731     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
3732     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
3733     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
3734     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
3735     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
3736     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
3737     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
3738     // words may be written to the same address.
3739     bool IsReadOnlyPtr = false;
3740     if (Seen.insert(Ptr) || !isStridedPtr(SE, DL, Ptr, TheLoop)) {
3741       ++NumReads;
3742       IsReadOnlyPtr = true;
3743     }
3744     Accesses.addLoad(Ptr, IsReadOnlyPtr);
3745   }
3746
3747   // If we write (or read-write) to a single destination and there are no
3748   // other reads in this loop then is it safe to vectorize.
3749   if (NumReadWrites == 1 && NumReads == 0) {
3750     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a write-only loop!\n");
3751     return true;
3752   }
3753
3754   // Build dependence sets and check whether we need a runtime pointer bounds
3755   // check.
3756   Accesses.buildDependenceSets();
3757   bool NeedRTCheck = Accesses.isRTCheckNeeded();
3758
3759   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
3760   // to place a runtime bound check.
3761   unsigned NumComparisons = 0;
3762   bool CanDoRT = false;
3763   if (NeedRTCheck)
3764     CanDoRT = Accesses.canCheckPtrAtRT(PtrRtCheck, NumComparisons, SE, TheLoop);
3765
3766
3767   DEBUG(dbgs() << "LV: We need to do " << NumComparisons <<
3768         " pointer comparisons.\n");
3769
3770   // If we only have one set of dependences to check pointers among we don't
3771   // need a runtime check.
3772   if (NumComparisons == 0 && NeedRTCheck)
3773     NeedRTCheck = false;
3774
3775   // Check that we did not collect too many pointers or found a unsizeable
3776   // pointer.
3777   if (!CanDoRT || NumComparisons > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
3778     PtrRtCheck.reset();
3779     CanDoRT = false;
3780   }
3781
3782   if (CanDoRT) {
3783     DEBUG(dbgs() << "LV: We can perform a memory runtime check if needed.\n");
3784   }
3785
3786   if (NeedRTCheck && !CanDoRT) {
3787     DEBUG(dbgs() << "LV: We can't vectorize because we can't find " <<
3788           "the array bounds.\n");
3789     PtrRtCheck.reset();
3790     return false;
3791   }
3792
3793   PtrRtCheck.Need = NeedRTCheck;
3794
3795   bool CanVecMem = true;
3796   if (Accesses.isDependencyCheckNeeded()) {
3797     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking memory dependencies\n");
3798     CanVecMem = DepChecker.areDepsSafe(DependentAccesses,
3799                                        Accesses.getDependenciesToCheck());
3800     MaxSafeDepDistBytes = DepChecker.getMaxSafeDepDistBytes();
3801   }
3802
3803   DEBUG(dbgs() << "LV: We "<< (NeedRTCheck ? "" : "don't") <<
3804         " need a runtime memory check.\n");
3805
3806   return CanVecMem;
3807 }
3808
3809 static bool hasMultipleUsesOf(Instruction *I,
3810                               SmallPtrSet<Instruction *, 8> &Insts) {
3811   unsigned NumUses = 0;
3812   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use) {
3813     if (Insts.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
3814       ++NumUses;
3815     if (NumUses > 1)
3816       return true;
3817   }
3818
3819   return false;
3820 }
3821
3822 static bool areAllUsesIn(Instruction *I, SmallPtrSet<Instruction *, 8> &Set) {
3823   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use)
3824     if (!Set.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
3825       return false;
3826   return true;
3827 }
3828
3829 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
3830                                                 ReductionKind Kind) {
3831   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
3832     return false;
3833
3834   // Reduction variables are only found in the loop header block.
3835   if (Phi->getParent() != TheLoop->getHeader())
3836     return false;
3837
3838   // Obtain the reduction start value from the value that comes from the loop
3839   // preheader.
3840   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValueForBlock(TheLoop->getLoopPreheader());
3841
3842   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
3843   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
3844   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
3845   // which ends in the phi node).
3846   Instruction *ExitInstruction = 0;
3847   // Indicates that we found a reduction operation in our scan.
3848   bool FoundReduxOp = false;
3849
3850   // We start with the PHI node and scan for all of the users of this
3851   // instruction. All users must be instructions that can be used as reduction
3852   // variables (such as ADD). We must have a single out-of-block user. The cycle
3853   // must include the original PHI.
3854   bool FoundStartPHI = false;
3855
3856   // To recognize min/max patterns formed by a icmp select sequence, we store
3857   // the number of instruction we saw from the recognized min/max pattern,
3858   //  to make sure we only see exactly the two instructions.
3859   unsigned NumCmpSelectPatternInst = 0;
3860   ReductionInstDesc ReduxDesc(false, 0);
3861
3862   SmallPtrSet<Instruction *, 8> VisitedInsts;
3863   SmallVector<Instruction *, 8> Worklist;
3864   Worklist.push_back(Phi);
3865   VisitedInsts.insert(Phi);
3866
3867   // A value in the reduction can be used:
3868   //  - By the reduction:
3869   //      - Reduction operation:
3870   //        - One use of reduction value (safe).
3871   //        - Multiple use of reduction value (not safe).
3872   //      - PHI:
3873   //        - All uses of the PHI must be the reduction (safe).
3874   //        - Otherwise, not safe.
3875   //  - By one instruction outside of the loop (safe).
3876   //  - By further instructions outside of the loop (not safe).
3877   //  - By an instruction that is not part of the reduction (not safe).
3878   //    This is either:
3879   //      * An instruction type other than PHI or the reduction operation.
3880   //      * A PHI in the header other than the initial PHI.
3881   while (!Worklist.empty()) {
3882     Instruction *Cur = Worklist.back();
3883     Worklist.pop_back();
3884
3885     // No Users.
3886     // If the instruction has no users then this is a broken chain and can't be
3887     // a reduction variable.
3888     if (Cur->use_empty())
3889       return false;
3890
3891     bool IsAPhi = isa<PHINode>(Cur);
3892
3893     // A header PHI use other than the original PHI.
3894     if (Cur != Phi && IsAPhi && Cur->getParent() == Phi->getParent())
3895       return false;
3896
3897     // Reductions of instructions such as Div, and Sub is only possible if the
3898     // LHS is the reduction variable.
3899     if (!Cur->isCommutative() && !IsAPhi && !isa<SelectInst>(Cur) &&
3900         !isa<ICmpInst>(Cur) && !isa<FCmpInst>(Cur) &&
3901         !VisitedInsts.count(dyn_cast<Instruction>(Cur->getOperand(0))))
3902       return false;
3903
3904     // Any reduction instruction must be of one of the allowed kinds.
3905     ReduxDesc = isReductionInstr(Cur, Kind, ReduxDesc);
3906     if (!ReduxDesc.IsReduction)
3907       return false;
3908
3909     // A reduction operation must only have one use of the reduction value.
3910     if (!IsAPhi && Kind != RK_IntegerMinMax && Kind != RK_FloatMinMax &&
3911         hasMultipleUsesOf(Cur, VisitedInsts))
3912       return false;
3913
3914     // All inputs to a PHI node must be a reduction value.
3915     if(IsAPhi && Cur != Phi && !areAllUsesIn(Cur, VisitedInsts))
3916       return false;
3917
3918     if (Kind == RK_IntegerMinMax && (isa<ICmpInst>(Cur) ||
3919                                      isa<SelectInst>(Cur)))
3920       ++NumCmpSelectPatternInst;
3921     if (Kind == RK_FloatMinMax && (isa<FCmpInst>(Cur) ||
3922                                    isa<SelectInst>(Cur)))
3923       ++NumCmpSelectPatternInst;
3924
3925     // Check  whether we found a reduction operator.
3926     FoundReduxOp |= !IsAPhi;
3927
3928     // Process users of current instruction. Push non PHI nodes after PHI nodes
3929     // onto the stack. This way we are going to have seen all inputs to PHI
3930     // nodes once we get to them.
3931     SmallVector<Instruction *, 8> NonPHIs;
3932     SmallVector<Instruction *, 8> PHIs;
3933     for (Value::use_iterator UI = Cur->use_begin(), E = Cur->use_end(); UI != E;
3934          ++UI) {
3935       Instruction *Usr = cast<Instruction>(*UI);
3936
3937       // Check if we found the exit user.
3938       BasicBlock *Parent = Usr->getParent();
3939       if (!TheLoop->contains(Parent)) {
3940         // Exit if you find multiple outside users or if the header phi node is
3941         // being used. In this case the user uses the value of the previous
3942         // iteration, in which case we would loose "VF-1" iterations of the
3943         // reduction operation if we vectorize.
3944         if (ExitInstruction != 0 || Cur == Phi)
3945           return false;
3946
3947         ExitInstruction = Cur;
3948         continue;
3949       }
3950
3951       // Process instructions only once (termination).
3952       if (VisitedInsts.insert(Usr)) {
3953         if (isa<PHINode>(Usr))
3954           PHIs.push_back(Usr);
3955         else
3956           NonPHIs.push_back(Usr);
3957       }
3958       // Remember that we completed the cycle.
3959       if (Usr == Phi)
3960         FoundStartPHI = true;
3961     }
3962     Worklist.append(PHIs.begin(), PHIs.end());
3963     Worklist.append(NonPHIs.begin(), NonPHIs.end());
3964   }
3965
3966   // This means we have seen one but not the other instruction of the
3967   // pattern or more than just a select and cmp.
3968   if ((Kind == RK_IntegerMinMax || Kind == RK_FloatMinMax) &&
3969       NumCmpSelectPatternInst != 2)
3970     return false;
3971
3972   if (!FoundStartPHI || !FoundReduxOp || !ExitInstruction)
3973     return false;
3974
3975   // We found a reduction var if we have reached the original phi node and we
3976   // only have a single instruction with out-of-loop users.
3977
3978   // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
3979   AllowedExit.insert(ExitInstruction);
3980
3981   // Save the description of this reduction variable.
3982   ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind,
3983                          ReduxDesc.MinMaxKind);
3984   Reductions[Phi] = RD;
3985   // We've ended the cycle. This is a reduction variable if we have an
3986   // outside user and it has a binary op.
3987
3988   return true;
3989 }
3990
3991 /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
3992 /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
3993 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
3994 LoopVectorizationLegality::isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
3995                                                     ReductionInstDesc &Prev) {
3996
3997   assert((isa<ICmpInst>(I) || isa<FCmpInst>(I) || isa<SelectInst>(I)) &&
3998          "Expect a select instruction");
3999   Instruction *Cmp = 0;
4000   SelectInst *Select = 0;
4001
4002   // We must handle the select(cmp()) as a single instruction. Advance to the
4003   // select.
4004   if ((Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I)) || (Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I))) {
4005     if (!Cmp->hasOneUse() || !(Select = dyn_cast<SelectInst>(*I->use_begin())))
4006       return ReductionInstDesc(false, I);
4007     return ReductionInstDesc(Select, Prev.MinMaxKind);
4008   }
4009
4010   // Only handle single use cases for now.
4011   if (!(Select = dyn_cast<SelectInst>(I)))
4012     return ReductionInstDesc(false, I);
4013   if (!(Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I->getOperand(0))) &&
4014       !(Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I->getOperand(0))))
4015     return ReductionInstDesc(false, I);
4016   if (!Cmp->hasOneUse())
4017     return ReductionInstDesc(false, I);
4018
4019   Value *CmpLeft;
4020   Value *CmpRight;
4021
4022   // Look for a min/max pattern.
4023   if (m_UMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4024     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMin);
4025   else if (m_UMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4026     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMax);
4027   else if (m_SMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4028     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMax);
4029   else if (m_SMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4030     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMin);
4031   else if (m_OrdFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4032     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
4033   else if (m_OrdFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4034     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
4035   else if (m_UnordFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4036     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
4037   else if (m_UnordFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4038     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
4039
4040   return ReductionInstDesc(false, I);
4041 }
4042
4043 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
4044 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
4045                                             ReductionKind Kind,
4046                                             ReductionInstDesc &Prev) {
4047   bool FP = I->getType()->isFloatingPointTy();
4048   bool FastMath = (FP && I->isCommutative() && I->isAssociative());
4049   switch (I->getOpcode()) {
4050   default:
4051     return ReductionInstDesc(false, I);
4052   case Instruction::PHI:
4053       if (FP && (Kind != RK_FloatMult && Kind != RK_FloatAdd &&
4054                  Kind != RK_FloatMinMax))
4055         return ReductionInstDesc(false, I);
4056     return ReductionInstDesc(I, Prev.MinMaxKind);
4057   case Instruction::Sub:
4058   case Instruction::Add:
4059     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAdd, I);
4060   case Instruction::Mul:
4061     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerMult, I);
4062   case Instruction::And:
4063     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAnd, I);
4064   case Instruction::Or:
4065     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerOr, I);
4066   case Instruction::Xor:
4067     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerXor, I);
4068   case Instruction::FMul:
4069     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatMult && FastMath, I);
4070   case Instruction::FAdd:
4071     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatAdd && FastMath, I);
4072   case Instruction::FCmp:
4073   case Instruction::ICmp:
4074   case Instruction::Select:
4075     if (Kind != RK_IntegerMinMax &&
4076         (!HasFunNoNaNAttr || Kind != RK_FloatMinMax))
4077       return ReductionInstDesc(false, I);
4078     return isMinMaxSelectCmpPattern(I, Prev);
4079   }
4080 }
4081
4082 LoopVectorizationLegality::InductionKind
4083 LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi) {
4084   Type *PhiTy = Phi->getType();
4085   // We only handle integer and pointer inductions variables.
4086   if (!PhiTy->isIntegerTy() && !PhiTy->isPointerTy())
4087     return IK_NoInduction;
4088
4089   // Check that the PHI is consecutive.
4090   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
4091   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
4092   if (!AR) {
4093     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
4094     return IK_NoInduction;
4095   }
4096   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
4097
4098   // Integer inductions need to have a stride of one.
4099   if (PhiTy->isIntegerTy()) {
4100     if (Step->isOne())
4101       return IK_IntInduction;
4102     if (Step->isAllOnesValue())
4103       return IK_ReverseIntInduction;
4104     return IK_NoInduction;
4105   }
4106
4107   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4108   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4109   if (!C)
4110     return IK_NoInduction;
4111
4112   assert(PhiTy->isPointerTy() && "The PHI must be a pointer");
4113   uint64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PhiTy->getPointerElementType());
4114   if (C->getValue()->equalsInt(Size))
4115     return IK_PtrInduction;
4116   else if (C->getValue()->equalsInt(0 - Size))
4117     return IK_ReversePtrInduction;
4118
4119   return IK_NoInduction;
4120 }
4121
4122 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(const Value *V) {
4123   Value *In0 = const_cast<Value*>(V);
4124   PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(In0);
4125   if (!PN)
4126     return false;
4127
4128   return Inductions.count(PN);
4129 }
4130
4131 bool LoopVectorizationLegality::blockNeedsPredication(BasicBlock *BB)  {
4132   assert(TheLoop->contains(BB) && "Unknown block used");
4133
4134   // Blocks that do not dominate the latch need predication.
4135   BasicBlock* Latch = TheLoop->getLoopLatch();
4136   return !DT->dominates(BB, Latch);
4137 }
4138
4139 bool LoopVectorizationLegality::blockCanBePredicated(BasicBlock *BB,
4140                                             SmallPtrSet<Value *, 8>& SafePtrs) {
4141   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4142     // We might be able to hoist the load.
4143     if (it->mayReadFromMemory()) {
4144       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it);
4145       if (!LI || !SafePtrs.count(LI->getPointerOperand()))
4146         return false;
4147     }
4148
4149     // We don't predicate stores at the moment.
4150     if (it->mayWriteToMemory() || it->mayThrow())
4151       return false;
4152
4153     // The instructions below can trap.
4154     switch (it->getOpcode()) {
4155     default: continue;
4156     case Instruction::UDiv:
4157     case Instruction::SDiv:
4158     case Instruction::URem:
4159     case Instruction::SRem:
4160              return false;
4161     }
4162   }
4163
4164   return true;
4165 }
4166
4167 LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor
4168 LoopVectorizationCostModel::selectVectorizationFactor(bool OptForSize,
4169                                                       unsigned UserVF) {
4170   // Width 1 means no vectorize
4171   VectorizationFactor Factor = { 1U, 0U };
4172   if (OptForSize && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need) {
4173     DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. Runtime ptr check is required in Os.\n");
4174     return Factor;
4175   }
4176
4177   // Find the trip count.
4178   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop, TheLoop->getLoopLatch());
4179   DEBUG(dbgs() << "LV: Found trip count:"<<TC<<"\n");
4180
4181   unsigned WidestType = getWidestType();
4182   unsigned WidestRegister = TTI.getRegisterBitWidth(true);
4183   unsigned MaxSafeDepDist = -1U;
4184   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
4185     MaxSafeDepDist = Legal->getMaxSafeDepDistBytes() * 8;
4186   WidestRegister = ((WidestRegister < MaxSafeDepDist) ?
4187                     WidestRegister : MaxSafeDepDist);
4188   unsigned MaxVectorSize = WidestRegister / WidestType;
4189   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest type: " << WidestType << " bits.\n");
4190   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest register is:" << WidestRegister << "bits.\n");
4191
4192   if (MaxVectorSize == 0) {
4193     DEBUG(dbgs() << "LV: The target has no vector registers.\n");
4194     MaxVectorSize = 1;
4195   }
4196
4197   assert(MaxVectorSize <= 32 && "Did not expect to pack so many elements"
4198          " into one vector!");
4199
4200   unsigned VF = MaxVectorSize;
4201
4202   // If we optimize the program for size, avoid creating the tail loop.
4203   if (OptForSize) {
4204     // If we are unable to calculate the trip count then don't try to vectorize.
4205     if (TC < 2) {
4206       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
4207       return Factor;
4208     }
4209
4210     // Find the maximum SIMD width that can fit within the trip count.
4211     VF = TC % MaxVectorSize;
4212
4213     if (VF == 0)
4214       VF = MaxVectorSize;
4215
4216     // If the trip count that we found modulo the vectorization factor is not
4217     // zero then we require a tail.
4218     if (VF < 2) {
4219       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
4220       return Factor;
4221     }
4222   }
4223
4224   if (UserVF != 0) {
4225     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
4226     DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF "<<UserVF<<".\n");
4227
4228     Factor.Width = UserVF;
4229     return Factor;
4230   }
4231
4232   float Cost = expectedCost(1);
4233   unsigned Width = 1;
4234   DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: "<< (int)Cost << ".\n");
4235   for (unsigned i=2; i <= VF; i*=2) {
4236     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
4237     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
4238     // the vector elements.
4239     float VectorCost = expectedCost(i) / (float)i;
4240     DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width "<< i << " costs: " <<
4241           (int)VectorCost << ".\n");
4242     if (VectorCost < Cost) {
4243       Cost = VectorCost;
4244       Width = i;
4245     }
4246   }
4247
4248   DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF = : "<< Width << ".\n");
4249   Factor.Width = Width;
4250   Factor.Cost = Width * Cost;
4251   return Factor;
4252 }
4253
4254 unsigned LoopVectorizationCostModel::getWidestType() {
4255   unsigned MaxWidth = 8;
4256
4257   // For each block.
4258   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4259        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4260     BasicBlock *BB = *bb;
4261
4262     // For each instruction in the loop.
4263     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4264       Type *T = it->getType();
4265
4266       // Only examine Loads, Stores and PHINodes.
4267       if (!isa<LoadInst>(it) && !isa<StoreInst>(it) && !isa<PHINode>(it))
4268         continue;
4269
4270       // Examine PHI nodes that are reduction variables.
4271       if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(it))
4272         if (!Legal->getReductionVars()->count(PN))
4273           continue;
4274
4275       // Examine the stored values.
4276       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it))
4277         T = ST->getValueOperand()->getType();
4278
4279       // Ignore loaded pointer types and stored pointer types that are not
4280       // consecutive. However, we do want to take consecutive stores/loads of
4281       // pointer vectors into account.
4282       if (T->isPointerTy() && !isConsecutiveLoadOrStore(it))
4283         continue;
4284
4285       MaxWidth = std::max(MaxWidth,
4286                           (unsigned)DL->getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
4287     }
4288   }
4289
4290   return MaxWidth;
4291 }
4292
4293 unsigned
4294 LoopVectorizationCostModel::selectUnrollFactor(bool OptForSize,
4295                                                unsigned UserUF,
4296                                                unsigned VF,
4297                                                unsigned LoopCost) {
4298
4299   // -- The unroll heuristics --
4300   // We unroll the loop in order to expose ILP and reduce the loop overhead.
4301   // There are many micro-architectural considerations that we can't predict
4302   // at this level. For example frontend pressure (on decode or fetch) due to
4303   // code size, or the number and capabilities of the execution ports.
4304   //
4305   // We use the following heuristics to select the unroll factor:
4306   // 1. If the code has reductions the we unroll in order to break the cross
4307   // iteration dependency.
4308   // 2. If the loop is really small then we unroll in order to reduce the loop
4309   // overhead.
4310   // 3. We don't unroll if we think that we will spill registers to memory due
4311   // to the increased register pressure.
4312
4313   // Use the user preference, unless 'auto' is selected.
4314   if (UserUF != 0)
4315     return UserUF;
4316
4317   // When we optimize for size we don't unroll.
4318   if (OptForSize)
4319     return 1;
4320
4321   // We used the distance for the unroll factor.
4322   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
4323     return 1;
4324
4325   // Do not unroll loops with a relatively small trip count.
4326   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop,
4327                                               TheLoop->getLoopLatch());
4328   if (TC > 1 && TC < TinyTripCountUnrollThreshold)
4329     return 1;
4330
4331   unsigned TargetVectorRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(true);
4332   DEBUG(dbgs() << "LV: The target has " << TargetVectorRegisters <<
4333         " vector registers\n");
4334
4335   LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage R = calculateRegisterUsage();
4336   // We divide by these constants so assume that we have at least one
4337   // instruction that uses at least one register.
4338   R.MaxLocalUsers = std::max(R.MaxLocalUsers, 1U);
4339   R.NumInstructions = std::max(R.NumInstructions, 1U);
4340
4341   // We calculate the unroll factor using the following formula.
4342   // Subtract the number of loop invariants from the number of available
4343   // registers. These registers are used by all of the unrolled instances.
4344   // Next, divide the remaining registers by the number of registers that is
4345   // required by the loop, in order to estimate how many parallel instances
4346   // fit without causing spills.
4347   unsigned UF = (TargetVectorRegisters - R.LoopInvariantRegs) / R.MaxLocalUsers;
4348
4349   // Clamp the unroll factor ranges to reasonable factors.
4350   unsigned MaxUnrollSize = TTI.getMaximumUnrollFactor();
4351
4352   // If we did not calculate the cost for VF (because the user selected the VF)
4353   // then we calculate the cost of VF here.
4354   if (LoopCost == 0)
4355     LoopCost = expectedCost(VF);
4356
4357   // Clamp the calculated UF to be between the 1 and the max unroll factor
4358   // that the target allows.
4359   if (UF > MaxUnrollSize)
4360     UF = MaxUnrollSize;
4361   else if (UF < 1)
4362     UF = 1;
4363
4364   bool HasReductions = Legal->getReductionVars()->size();
4365
4366   // Decide if we want to unroll if we decided that it is legal to vectorize
4367   // but not profitable.
4368   if (VF == 1) {
4369     if (TheLoop->getNumBlocks() > 1 || !HasReductions ||
4370         LoopCost > SmallLoopCost)
4371       return 1;
4372
4373     return UF;
4374   }
4375
4376   if (HasReductions) {
4377     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling because of reductions. \n");
4378     return UF;
4379   }
4380
4381   // We want to unroll tiny loops in order to reduce the loop overhead.
4382   // We assume that the cost overhead is 1 and we use the cost model
4383   // to estimate the cost of the loop and unroll until the cost of the
4384   // loop overhead is about 5% of the cost of the loop.
4385   DEBUG(dbgs() << "LV: Loop cost is "<< LoopCost <<" \n");
4386   if (LoopCost < SmallLoopCost) {
4387     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to reduce branch cost. \n");
4388     unsigned NewUF = SmallLoopCost / (LoopCost + 1);
4389     return std::min(NewUF, UF);
4390   }
4391
4392   DEBUG(dbgs() << "LV: Not Unrolling. \n");
4393   return 1;
4394 }
4395
4396 LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage
4397 LoopVectorizationCostModel::calculateRegisterUsage() {
4398   // This function calculates the register usage by measuring the highest number
4399   // of values that are alive at a single location. Obviously, this is a very
4400   // rough estimation. We scan the loop in a topological order in order and
4401   // assign a number to each instruction. We use RPO to ensure that defs are
4402   // met before their users. We assume that each instruction that has in-loop
4403   // users starts an interval. We record every time that an in-loop value is
4404   // used, so we have a list of the first and last occurrences of each
4405   // instruction. Next, we transpose this data structure into a multi map that
4406   // holds the list of intervals that *end* at a specific location. This multi
4407   // map allows us to perform a linear search. We scan the instructions linearly
4408   // and record each time that a new interval starts, by placing it in a set.
4409   // If we find this value in the multi-map then we remove it from the set.
4410   // The max register usage is the maximum size of the set.
4411   // We also search for instructions that are defined outside the loop, but are
4412   // used inside the loop. We need this number separately from the max-interval
4413   // usage number because when we unroll, loop-invariant values do not take
4414   // more register.
4415   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
4416   DFS.perform(LI);
4417
4418   RegisterUsage R;
4419   R.NumInstructions = 0;
4420
4421   // Each 'key' in the map opens a new interval. The values
4422   // of the map are the index of the 'last seen' usage of the
4423   // instruction that is the key.
4424   typedef DenseMap<Instruction*, unsigned> IntervalMap;
4425   // Maps instruction to its index.
4426   DenseMap<unsigned, Instruction*> IdxToInstr;
4427   // Marks the end of each interval.
4428   IntervalMap EndPoint;
4429   // Saves the list of instruction indices that are used in the loop.
4430   SmallSet<Instruction*, 8> Ends;
4431   // Saves the list of values that are used in the loop but are
4432   // defined outside the loop, such as arguments and constants.
4433   SmallPtrSet<Value*, 8> LoopInvariants;
4434
4435   unsigned Index = 0;
4436   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
4437        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb) {
4438     R.NumInstructions += (*bb)->size();
4439     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
4440          ++it) {
4441       Instruction *I = it;
4442       IdxToInstr[Index++] = I;
4443
4444       // Save the end location of each USE.
4445       for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); ++i) {
4446         Value *U = I->getOperand(i);
4447         Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(U);
4448
4449         // Ignore non-instruction values such as arguments, constants, etc.
4450         if (!Instr) continue;
4451
4452         // If this instruction is outside the loop then record it and continue.
4453         if (!TheLoop->contains(Instr)) {
4454           LoopInvariants.insert(Instr);
4455           continue;
4456         }
4457
4458         // Overwrite previous end points.
4459         EndPoint[Instr] = Index;
4460         Ends.insert(Instr);
4461       }
4462     }
4463   }
4464
4465   // Saves the list of intervals that end with the index in 'key'.
4466   typedef SmallVector<Instruction*, 2> InstrList;
4467   DenseMap<unsigned, InstrList> TransposeEnds;
4468
4469   // Transpose the EndPoints to a list of values that end at each index.
4470   for (IntervalMap::iterator it = EndPoint.begin(), e = EndPoint.end();
4471        it != e; ++it)
4472     TransposeEnds[it->second].push_back(it->first);
4473
4474   SmallSet<Instruction*, 8> OpenIntervals;
4475   unsigned MaxUsage = 0;
4476
4477
4478   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Calculating max register usage:\n");
4479   for (unsigned int i = 0; i < Index; ++i) {
4480     Instruction *I = IdxToInstr[i];
4481     // Ignore instructions that are never used within the loop.
4482     if (!Ends.count(I)) continue;
4483
4484     // Remove all of the instructions that end at this location.
4485     InstrList &List = TransposeEnds[i];
4486     for (unsigned int j=0, e = List.size(); j < e; ++j)
4487       OpenIntervals.erase(List[j]);
4488
4489     // Count the number of live interals.
4490     MaxUsage = std::max(MaxUsage, OpenIntervals.size());
4491
4492     DEBUG(dbgs() << "LV(REG): At #" << i << " Interval # " <<
4493           OpenIntervals.size() <<"\n");
4494
4495     // Add the current instruction to the list of open intervals.
4496     OpenIntervals.insert(I);
4497   }
4498
4499   unsigned Invariant = LoopInvariants.size();
4500   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found max usage: " << MaxUsage << " \n");
4501   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found invariant usage: " << Invariant << " \n");
4502   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): LoopSize: " << R.NumInstructions << " \n");
4503
4504   R.LoopInvariantRegs = Invariant;
4505   R.MaxLocalUsers = MaxUsage;
4506   return R;
4507 }
4508
4509 unsigned LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
4510   unsigned Cost = 0;
4511
4512   // For each block.
4513   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4514        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4515     unsigned BlockCost = 0;
4516     BasicBlock *BB = *bb;
4517
4518     // For each instruction in the old loop.
4519     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4520       // Skip dbg intrinsics.
4521       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
4522         continue;
4523
4524       unsigned C = getInstructionCost(it, VF);
4525       BlockCost += C;
4526       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of "<< C <<" for VF " <<
4527             VF << " For instruction: "<< *it << "\n");
4528     }
4529
4530     // We assume that if-converted blocks have a 50% chance of being executed.
4531     // When the code is scalar then some of the blocks are avoided due to CF.
4532     // When the code is vectorized we execute all code paths.
4533     if (VF == 1 && Legal->blockNeedsPredication(*bb))
4534       BlockCost /= 2;
4535
4536     Cost += BlockCost;
4537   }
4538
4539   return Cost;
4540 }
4541
4542 /// \brief Check whether the address computation for a non-consecutive memory
4543 /// access looks like an unlikely candidate for being merged into the indexing
4544 /// mode.
4545 ///
4546 /// We look for a GEP which has one index that is an induction variable and all
4547 /// other indices are loop invariant. If the stride of this access is also
4548 /// within a small bound we decide that this address computation can likely be
4549 /// merged into the addressing mode.
4550 /// In all other cases, we identify the address computation as complex.
4551 static bool isLikelyComplexAddressComputation(Value *Ptr,
4552                                               LoopVectorizationLegality *Legal,
4553                                               ScalarEvolution *SE,
4554                                               const Loop *TheLoop) {
4555   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
4556   if (!Gep)
4557     return true;
4558
4559   // We are looking for a gep with all loop invariant indices except for one
4560   // which should be an induction variable.
4561   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
4562   for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i) {
4563     Value *Opd = Gep->getOperand(i);
4564     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Opd), TheLoop) &&
4565         !Legal->isInductionVariable(Opd))
4566       return true;
4567   }
4568
4569   // Now we know we have a GEP ptr, %inv, %ind, %inv. Make sure that the step
4570   // can likely be merged into the address computation.
4571   unsigned MaxMergeDistance = 64;
4572
4573   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Ptr));
4574   if (!AddRec)
4575     return true;
4576
4577   // Check the step is constant.
4578   const SCEV *Step = AddRec->getStepRecurrence(*SE);
4579   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4580   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4581   if (!C)
4582     return true;
4583
4584   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
4585
4586   // Huge step value - give up.
4587   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
4588     return true;
4589
4590   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
4591
4592   return StepVal > MaxMergeDistance;
4593 }
4594
4595 unsigned
4596 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
4597   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
4598   // the scalar version.
4599   if (Legal->isUniformAfterVectorization(I))
4600     VF = 1;
4601
4602   Type *RetTy = I->getType();
4603   Type *VectorTy = ToVectorTy(RetTy, VF);
4604
4605   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
4606   switch (I->getOpcode()) {
4607   case Instruction::GetElementPtr:
4608     // We mark this instruction as zero-cost because the cost of GEPs in
4609     // vectorized code depends on whether the corresponding memory instruction
4610     // is scalarized or not. Therefore, we handle GEPs with the memory
4611     // instruction cost.
4612     return 0;
4613   case Instruction::Br: {
4614     return TTI.getCFInstrCost(I->getOpcode());
4615   }
4616   case Instruction::PHI:
4617     //TODO: IF-converted IFs become selects.
4618     return 0;
4619   case Instruction::Add:
4620   case Instruction::FAdd:
4621   case Instruction::Sub:
4622   case Instruction::FSub:
4623   case Instruction::Mul:
4624   case Instruction::FMul:
4625   case Instruction::UDiv:
4626   case Instruction::SDiv:
4627   case Instruction::FDiv:
4628   case Instruction::URem:
4629   case Instruction::SRem:
4630   case Instruction::FRem:
4631   case Instruction::Shl:
4632   case Instruction::LShr:
4633   case Instruction::AShr:
4634   case Instruction::And:
4635   case Instruction::Or:
4636   case Instruction::Xor: {
4637     // Certain instructions can be cheaper to vectorize if they have a constant
4638     // second vector operand. One example of this are shifts on x86.
4639     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op1VK =
4640       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
4641     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op2VK =
4642       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
4643
4644     if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
4645       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
4646
4647     return TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, Op1VK, Op2VK);
4648   }
4649   case Instruction::Select: {
4650     SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
4651     const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
4652     bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
4653     Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
4654     if (!ScalarCond)
4655       CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
4656
4657     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy);
4658   }
4659   case Instruction::ICmp:
4660   case Instruction::FCmp: {
4661     Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
4662     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
4663     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
4664   }
4665   case Instruction::Store:
4666   case Instruction::Load: {
4667     StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
4668     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I);
4669     Type *ValTy = (SI ? SI->getValueOperand()->getType() :
4670                    LI->getType());
4671     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
4672
4673     unsigned Alignment = SI ? SI->getAlignment() : LI->getAlignment();
4674     unsigned AS = SI ? SI->getPointerAddressSpace() :
4675       LI->getPointerAddressSpace();
4676     Value *Ptr = SI ? SI->getPointerOperand() : LI->getPointerOperand();
4677     // We add the cost of address computation here instead of with the gep
4678     // instruction because only here we know whether the operation is
4679     // scalarized.
4680     if (VF == 1)
4681       return TTI.getAddressComputationCost(VectorTy) +
4682         TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
4683
4684     // Scalarized loads/stores.
4685     int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
4686     bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
4687     unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ValTy);
4688     unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(VectorTy)/VF;
4689     if (!ConsecutiveStride || ScalarAllocatedSize != VectorElementSize) {
4690       bool IsComplexComputation =
4691         isLikelyComplexAddressComputation(Ptr, Legal, SE, TheLoop);
4692       unsigned Cost = 0;
4693       // The cost of extracting from the value vector and pointer vector.
4694       Type *PtrTy = ToVectorTy(Ptr->getType(), VF);
4695       for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
4696         //  The cost of extracting the pointer operand.
4697         Cost += TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement, PtrTy, i);
4698         // In case of STORE, the cost of ExtractElement from the vector.
4699         // In case of LOAD, the cost of InsertElement into the returned
4700         // vector.
4701         Cost += TTI.getVectorInstrCost(SI ? Instruction::ExtractElement :
4702                                             Instruction::InsertElement,
4703                                             VectorTy, i);
4704       }
4705
4706       // The cost of the scalar loads/stores.
4707       Cost += VF * TTI.getAddressComputationCost(PtrTy, IsComplexComputation);
4708       Cost += VF * TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy->getScalarType(),
4709                                        Alignment, AS);
4710       return Cost;
4711     }
4712
4713     // Wide load/stores.
4714     unsigned Cost = TTI.getAddressComputationCost(VectorTy);
4715     Cost += TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
4716
4717     if (Reverse)
4718       Cost += TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse,
4719                                   VectorTy, 0);
4720     return Cost;
4721   }
4722   case Instruction::ZExt:
4723   case Instruction::SExt:
4724   case Instruction::FPToUI:
4725   case Instruction::FPToSI:
4726   case Instruction::FPExt:
4727   case Instruction::PtrToInt:
4728   case Instruction::IntToPtr:
4729   case Instruction::SIToFP:
4730   case Instruction::UIToFP:
4731   case Instruction::Trunc:
4732   case Instruction::FPTrunc:
4733   case Instruction::BitCast: {
4734     // We optimize the truncation of induction variable.
4735     // The cost of these is the same as the scalar operation.
4736     if (I->getOpcode() == Instruction::Trunc &&
4737         Legal->isInductionVariable(I->getOperand(0)))
4738       return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), I->getType(),
4739                                   I->getOperand(0)->getType());
4740
4741     Type *SrcVecTy = ToVectorTy(I->getOperand(0)->getType(), VF);
4742     return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy);
4743   }
4744   case Instruction::Call: {
4745     CallInst *CI = cast<CallInst>(I);
4746     Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
4747     assert(ID && "Not an intrinsic call!");
4748     Type *RetTy = ToVectorTy(CI->getType(), VF);
4749     SmallVector<Type*, 4> Tys;
4750     for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i)
4751       Tys.push_back(ToVectorTy(CI->getArgOperand(i)->getType(), VF));
4752     return TTI.getIntrinsicInstrCost(ID, RetTy, Tys);
4753   }
4754   default: {
4755     // We are scalarizing the instruction. Return the cost of the scalar
4756     // instruction, plus the cost of insert and extract into vector
4757     // elements, times the vector width.
4758     unsigned Cost = 0;
4759
4760     if (!RetTy->isVoidTy() && VF != 1) {
4761       unsigned InsCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::InsertElement,
4762                                                 VectorTy);
4763       unsigned ExtCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement,
4764                                                 VectorTy);
4765
4766       // The cost of inserting the results plus extracting each one of the
4767       // operands.
4768       Cost += VF * (InsCost + ExtCost * I->getNumOperands());
4769     }
4770
4771     // The cost of executing VF copies of the scalar instruction. This opcode
4772     // is unknown. Assume that it is the same as 'mul'.
4773     Cost += VF * TTI.getArithmeticInstrCost(Instruction::Mul, VectorTy);
4774     return Cost;
4775   }
4776   }// end of switch.
4777 }
4778
4779 Type* LoopVectorizationCostModel::ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
4780   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
4781     return Scalar;
4782   return VectorType::get(Scalar, VF);
4783 }
4784
4785 char LoopVectorize::ID = 0;
4786 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
4787 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
4788 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
4789 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
4790 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
4791 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
4792
4793 namespace llvm {
4794   Pass *createLoopVectorizePass(bool NoUnrolling) {
4795     return new LoopVectorize(NoUnrolling);
4796   }
4797 }
4798
4799 bool LoopVectorizationCostModel::isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *Inst) {
4800   // Check for a store.
4801   if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
4802     return Legal->isConsecutivePtr(ST->getPointerOperand()) != 0;
4803
4804   // Check for a load.
4805   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
4806     return Legal->isConsecutivePtr(LI->getPointerOperand()) != 0;
4807
4808   return false;
4809 }
4810
4811
4812 void InnerLoopUnroller::scalarizeInstruction(Instruction *Instr) {
4813   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
4814   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
4815   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
4816
4817   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
4818
4819   // Find all of the vectorized parameters.
4820   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
4821     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
4822
4823     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
4824     if (SrcOp == OldInduction) {
4825       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
4826       continue;
4827     }
4828
4829     // Try using previously calculated values.
4830     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
4831
4832     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
4833     // then it should already be vectorized.
4834     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
4835       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
4836       // The parameter is a vector value from earlier.
4837       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
4838     } else {
4839       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
4840       VectorParts Scalars;
4841       Scalars.append(UF, SrcOp);
4842       Params.push_back(Scalars);
4843     }
4844   }
4845
4846   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
4847          "Invalid number of operands");
4848
4849   // Does this instruction return a value ?
4850   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
4851
4852   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? 0 :
4853   UndefValue::get(Instr->getType());
4854   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
4855   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
4856
4857   // For each vector unroll 'part':
4858   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
4859     // For each scalar that we create:
4860
4861     Instruction *Cloned = Instr->clone();
4862       if (!IsVoidRetTy)
4863         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
4864       // Replace the operands of the cloned instrucions with extracted scalars.
4865       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
4866         Value *Op = Params[op][Part];
4867         Cloned->setOperand(op, Op);
4868       }
4869
4870       // Place the cloned scalar in the new loop.
4871       Builder.Insert(Cloned);
4872
4873       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
4874       // so that future users will be able to use it.
4875       if (!IsVoidRetTy)
4876         VecResults[Part] = Cloned;
4877   }
4878 }
4879
4880 void
4881 InnerLoopUnroller::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
4882                                               LoopVectorizationLegality*) {
4883   return scalarizeInstruction(Instr);
4884 }
4885
4886 Value *InnerLoopUnroller::reverseVector(Value *Vec) {
4887   return Vec;
4888 }
4889
4890 Value *InnerLoopUnroller::getBroadcastInstrs(Value *V) {
4891   return V;
4892 }
4893
4894 Value *InnerLoopUnroller::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
4895                                                bool Negate) {
4896   // When unrolling and the VF is 1, we only need to add a simple scalar.
4897   Type *ITy = Val->getType();
4898   assert(!ITy->isVectorTy() && "Val must be a scalar");
4899   Constant *C = ConstantInt::get(ITy, StartIdx, Negate);
4900   return Builder.CreateAdd(Val, C, "induction");
4901 }
4902