SLPVectorizer: Don't vectorize phi nodes that use invoke values
[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       if (isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxVectorWidth)
868         Width = Val;
869       else
870         DEBUG(dbgs() << "LV: ignoring invalid width hint metadata");
871     } else if (Hint == "unroll") {
872       if (isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxUnrollFactor)
873         Unroll = Val;
874       else
875         DEBUG(dbgs() << "LV: ignoring invalid unroll hint metadata");
876     } else {
877       DEBUG(dbgs() << "LV: ignoring unknown hint " << Hint);
878     }
879   }
880 };
881
882 /// The LoopVectorize Pass.
883 struct LoopVectorize : public LoopPass {
884   /// Pass identification, replacement for typeid
885   static char ID;
886
887   explicit LoopVectorize(bool NoUnrolling = false)
888     : LoopPass(ID), DisableUnrolling(NoUnrolling) {
889     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
890   }
891
892   ScalarEvolution *SE;
893   DataLayout *DL;
894   LoopInfo *LI;
895   TargetTransformInfo *TTI;
896   DominatorTree *DT;
897   TargetLibraryInfo *TLI;
898   bool DisableUnrolling;
899
900   virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
901     // We only vectorize innermost loops.
902     if (!L->empty())
903       return false;
904
905     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
906     DL = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
907     LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
908     TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
909     DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
910     TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
911
912     if (DL == NULL) {
913       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing because of missing data layout");
914       return false;
915     }
916
917     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking a loop in \"" <<
918           L->getHeader()->getParent()->getName() << "\"\n");
919
920     LoopVectorizeHints Hints(L, DisableUnrolling);
921
922     if (Hints.Width == 1 && Hints.Unroll == 1) {
923       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing.\n");
924       return false;
925     }
926
927     // Check if it is legal to vectorize the loop.
928     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DL, DT, TLI);
929     if (!LVL.canVectorize()) {
930       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing.\n");
931       return false;
932     }
933
934     // Use the cost model.
935     LoopVectorizationCostModel CM(L, SE, LI, &LVL, *TTI, DL, TLI);
936
937     // Check the function attributes to find out if this function should be
938     // optimized for size.
939     Function *F = L->getHeader()->getParent();
940     Attribute::AttrKind SzAttr = Attribute::OptimizeForSize;
941     Attribute::AttrKind FlAttr = Attribute::NoImplicitFloat;
942     unsigned FnIndex = AttributeSet::FunctionIndex;
943     bool OptForSize = F->getAttributes().hasAttribute(FnIndex, SzAttr);
944     bool NoFloat = F->getAttributes().hasAttribute(FnIndex, FlAttr);
945
946     if (NoFloat) {
947       DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize when the NoImplicitFloat"
948             "attribute is used.\n");
949       return false;
950     }
951
952     // Select the optimal vectorization factor.
953     LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor VF;
954     VF = CM.selectVectorizationFactor(OptForSize, Hints.Width);
955     // Select the unroll factor.
956     unsigned UF = CM.selectUnrollFactor(OptForSize, Hints.Unroll, VF.Width,
957                                         VF.Cost);
958
959     if (VF.Width == 1) {
960       DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial.\n");
961     }
962
963     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop ("<< VF.Width << ") in "<<
964           F->getParent()->getModuleIdentifier()<<"\n");
965     DEBUG(dbgs() << "LV: Unroll Factor is " << UF << "\n");
966
967     if (VF.Width == 1) {
968       if (UF == 1)
969         return false;
970       // We decided not to vectorize, but we may want to unroll.
971       InnerLoopUnroller Unroller(L, SE, LI, DT, DL, TLI, UF);
972       Unroller.vectorize(&LVL);
973     } else {
974       // If we decided that it is *legal* to vectorize the loop then do it.
975       InnerLoopVectorizer LB(L, SE, LI, DT, DL, TLI, VF.Width, UF);
976       LB.vectorize(&LVL);
977     }
978
979     // Mark the loop as already vectorized to avoid vectorizing again.
980     Hints.setAlreadyVectorized(L);
981
982     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
983     return true;
984   }
985
986   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
987     LoopPass::getAnalysisUsage(AU);
988     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
989     AU.addRequiredID(LCSSAID);
990     AU.addRequired<DominatorTree>();
991     AU.addRequired<LoopInfo>();
992     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
993     AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
994     AU.addPreserved<LoopInfo>();
995     AU.addPreserved<DominatorTree>();
996   }
997
998 };
999
1000 } // end anonymous namespace
1001
1002 //===----------------------------------------------------------------------===//
1003 // Implementation of LoopVectorizationLegality, InnerLoopVectorizer and
1004 // LoopVectorizationCostModel.
1005 //===----------------------------------------------------------------------===//
1006
1007 void
1008 LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck::insert(ScalarEvolution *SE,
1009                                                        Loop *Lp, Value *Ptr,
1010                                                        bool WritePtr,
1011                                                        unsigned DepSetId) {
1012   const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
1013   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Sc);
1014   assert(AR && "Invalid addrec expression");
1015   const SCEV *Ex = SE->getBackedgeTakenCount(Lp);
1016   const SCEV *ScEnd = AR->evaluateAtIteration(Ex, *SE);
1017   Pointers.push_back(Ptr);
1018   Starts.push_back(AR->getStart());
1019   Ends.push_back(ScEnd);
1020   IsWritePtr.push_back(WritePtr);
1021   DependencySetId.push_back(DepSetId);
1022 }
1023
1024 Value *InnerLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
1025   // Save the current insertion location.
1026   Instruction *Loc = Builder.GetInsertPoint();
1027
1028   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop.
1029   Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(V);
1030   bool NewInstr = (Instr && Instr->getParent() == LoopVectorBody);
1031   bool Invariant = OrigLoop->isLoopInvariant(V) && !NewInstr;
1032
1033   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
1034   if (Invariant)
1035     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1036
1037   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
1038   Value *Shuf = Builder.CreateVectorSplat(VF, V, "broadcast");
1039
1040   // Restore the builder insertion point.
1041   if (Invariant)
1042     Builder.SetInsertPoint(Loc);
1043
1044   return Shuf;
1045 }
1046
1047 Value *InnerLoopVectorizer::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
1048                                                  bool Negate) {
1049   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
1050   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
1051          "Elem must be an integer");
1052   // Create the types.
1053   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
1054   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
1055   int VLen = Ty->getNumElements();
1056   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
1057
1058   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
1059   for (int i = 0; i < VLen; ++i) {
1060     int64_t Idx = Negate ? (-i) : i;
1061     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, StartIdx + Idx, Negate));
1062   }
1063
1064   // Add the consecutive indices to the vector value.
1065   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
1066   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
1067   return Builder.CreateAdd(Val, Cv, "induction");
1068 }
1069
1070 int LoopVectorizationLegality::isConsecutivePtr(Value *Ptr) {
1071   assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected non ptr");
1072   // Make sure that the pointer does not point to structs.
1073   if (cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType()->isAggregateType())
1074     return 0;
1075
1076   // If this value is a pointer induction variable we know it is consecutive.
1077   PHINode *Phi = dyn_cast_or_null<PHINode>(Ptr);
1078   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1079     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1080     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1081       return 1;
1082     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1083       return -1;
1084   }
1085
1086   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast_or_null<GetElementPtrInst>(Ptr);
1087   if (!Gep)
1088     return 0;
1089
1090   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1091   Value *LastIndex = Gep->getOperand(NumOperands - 1);
1092
1093   Value *GpPtr = Gep->getPointerOperand();
1094   // If this GEP value is a consecutive pointer induction variable and all of
1095   // the indices are constant then we know it is consecutive. We can
1096   Phi = dyn_cast<PHINode>(GpPtr);
1097   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1098
1099     // Make sure that the pointer does not point to structs.
1100     PointerType *GepPtrType = cast<PointerType>(GpPtr->getType());
1101     if (GepPtrType->getElementType()->isAggregateType())
1102       return 0;
1103
1104     // Make sure that all of the index operands are loop invariant.
1105     for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i)
1106       if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1107         return 0;
1108
1109     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1110     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1111       return 1;
1112     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1113       return -1;
1114   }
1115
1116   // Check that all of the gep indices are uniform except for the last.
1117   for (unsigned i = 0; i < NumOperands - 1; ++i)
1118     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1119       return 0;
1120
1121   // We can emit wide load/stores only if the last index is the induction
1122   // variable.
1123   const SCEV *Last = SE->getSCEV(LastIndex);
1124   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
1125     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
1126
1127     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
1128     // and all other indices are loop invariant.
1129     if (Step->isOne())
1130       return 1;
1131     if (Step->isAllOnesValue())
1132       return -1;
1133   }
1134
1135   return 0;
1136 }
1137
1138 bool LoopVectorizationLegality::isUniform(Value *V) {
1139   return (SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(V), TheLoop));
1140 }
1141
1142 InnerLoopVectorizer::VectorParts&
1143 InnerLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
1144   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
1145   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
1146
1147   // If we have this scalar in the map, return it.
1148   if (WidenMap.has(V))
1149     return WidenMap.get(V);
1150
1151   // If this scalar is unknown, assume that it is a constant or that it is
1152   // loop invariant. Broadcast V and save the value for future uses.
1153   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
1154   return WidenMap.splat(V, B);
1155 }
1156
1157 Value *InnerLoopVectorizer::reverseVector(Value *Vec) {
1158   assert(Vec->getType()->isVectorTy() && "Invalid type");
1159   SmallVector<Constant*, 8> ShuffleMask;
1160   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
1161     ShuffleMask.push_back(Builder.getInt32(VF - i - 1));
1162
1163   return Builder.CreateShuffleVector(Vec, UndefValue::get(Vec->getType()),
1164                                      ConstantVector::get(ShuffleMask),
1165                                      "reverse");
1166 }
1167
1168
1169 void InnerLoopVectorizer::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
1170                                              LoopVectorizationLegality *Legal) {
1171   // Attempt to issue a wide load.
1172   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Instr);
1173   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
1174
1175   assert((LI || SI) && "Invalid Load/Store instruction");
1176
1177   Type *ScalarDataTy = LI ? LI->getType() : SI->getValueOperand()->getType();
1178   Type *DataTy = VectorType::get(ScalarDataTy, VF);
1179   Value *Ptr = LI ? LI->getPointerOperand() : SI->getPointerOperand();
1180   unsigned Alignment = LI ? LI->getAlignment() : SI->getAlignment();
1181   unsigned AddressSpace = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
1182   unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ScalarDataTy);
1183   unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(DataTy)/VF;
1184
1185   if (ScalarAllocatedSize != VectorElementSize)
1186     return scalarizeInstruction(Instr);
1187
1188   // If the pointer is loop invariant or if it is non consecutive,
1189   // scalarize the load.
1190   int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
1191   bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
1192   bool UniformLoad = LI && Legal->isUniform(Ptr);
1193   if (!ConsecutiveStride || UniformLoad)
1194     return scalarizeInstruction(Instr);
1195
1196   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1197   VectorParts &Entry = WidenMap.get(Instr);
1198
1199   // Handle consecutive loads/stores.
1200   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
1201   if (Gep && Legal->isInductionVariable(Gep->getPointerOperand())) {
1202     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1203     Value *PtrOperand = Gep->getPointerOperand();
1204     Value *FirstBasePtr = getVectorValue(PtrOperand)[0];
1205     FirstBasePtr = Builder.CreateExtractElement(FirstBasePtr, Zero);
1206
1207     // Create the new GEP with the new induction variable.
1208     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1209     Gep2->setOperand(0, FirstBasePtr);
1210     Gep2->setName("gep.indvar.base");
1211     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1212   } else if (Gep) {
1213     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1214     assert(SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getPointerOperand()),
1215                                OrigLoop) && "Base ptr must be invariant");
1216
1217     // The last index does not have to be the induction. It can be
1218     // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
1219     unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1220     unsigned LastOperand = NumOperands - 1;
1221     // Create the new GEP with the new induction variable.
1222     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1223
1224     for (unsigned i = 0; i < NumOperands; ++i) {
1225       Value *GepOperand = Gep->getOperand(i);
1226       Instruction *GepOperandInst = dyn_cast<Instruction>(GepOperand);
1227
1228       // Update last index or loop invariant instruction anchored in loop.
1229       if (i == LastOperand ||
1230           (GepOperandInst && OrigLoop->contains(GepOperandInst))) {
1231         assert((i == LastOperand ||
1232                SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GepOperandInst), OrigLoop)) &&
1233                "Must be last index or loop invariant");
1234
1235         VectorParts &GEPParts = getVectorValue(GepOperand);
1236         Value *Index = GEPParts[0];
1237         Index = Builder.CreateExtractElement(Index, Zero);
1238         Gep2->setOperand(i, Index);
1239         Gep2->setName("gep.indvar.idx");
1240       }
1241     }
1242     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1243   } else {
1244     // Use the induction element ptr.
1245     assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
1246     setDebugLocFromInst(Builder, Ptr);
1247     VectorParts &PtrVal = getVectorValue(Ptr);
1248     Ptr = Builder.CreateExtractElement(PtrVal[0], Zero);
1249   }
1250
1251   // Handle Stores:
1252   if (SI) {
1253     assert(!Legal->isUniform(SI->getPointerOperand()) &&
1254            "We do not allow storing to uniform addresses");
1255     setDebugLocFromInst(Builder, SI);
1256     // We don't want to update the value in the map as it might be used in
1257     // another expression. So don't use a reference type for "StoredVal".
1258     VectorParts StoredVal = getVectorValue(SI->getValueOperand());
1259
1260     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1261       // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1262       Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1263
1264       if (Reverse) {
1265         // If we store to reverse consecutive memory locations then we need
1266         // to reverse the order of elements in the stored value.
1267         StoredVal[Part] = reverseVector(StoredVal[Part]);
1268         // If the address is consecutive but reversed, then the
1269         // wide store needs to start at the last vector element.
1270         PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1271         PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1272       }
1273
1274       Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1275                                             DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1276       Builder.CreateStore(StoredVal[Part], VecPtr)->setAlignment(Alignment);
1277     }
1278     return;
1279   }
1280
1281   // Handle loads.
1282   assert(LI && "Must have a load instruction");
1283   setDebugLocFromInst(Builder, LI);
1284   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1285     // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1286     Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1287
1288     if (Reverse) {
1289       // If the address is consecutive but reversed, then the
1290       // wide store needs to start at the last vector element.
1291       PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1292       PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1293     }
1294
1295     Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1296                                           DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1297     Value *LI = Builder.CreateLoad(VecPtr, "wide.load");
1298     cast<LoadInst>(LI)->setAlignment(Alignment);
1299     Entry[Part] = Reverse ? reverseVector(LI) :  LI;
1300   }
1301 }
1302
1303 void InnerLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr) {
1304   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
1305   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
1306   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
1307
1308   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
1309
1310   // Find all of the vectorized parameters.
1311   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1312     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
1313
1314     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
1315     if (SrcOp == OldInduction) {
1316       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
1317       continue;
1318     }
1319
1320     // Try using previously calculated values.
1321     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
1322
1323     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
1324     // then it should already be vectorized.
1325     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
1326       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
1327       // The parameter is a vector value from earlier.
1328       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
1329     } else {
1330       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
1331       VectorParts Scalars;
1332       Scalars.append(UF, SrcOp);
1333       Params.push_back(Scalars);
1334     }
1335   }
1336
1337   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
1338          "Invalid number of operands");
1339
1340   // Does this instruction return a value ?
1341   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
1342
1343   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? 0 :
1344     UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
1345   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
1346   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
1347
1348   // For each vector unroll 'part':
1349   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1350     // For each scalar that we create:
1351     for (unsigned Width = 0; Width < VF; ++Width) {
1352       Instruction *Cloned = Instr->clone();
1353       if (!IsVoidRetTy)
1354         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
1355       // Replace the operands of the cloned instrucions with extracted scalars.
1356       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1357         Value *Op = Params[op][Part];
1358         // Param is a vector. Need to extract the right lane.
1359         if (Op->getType()->isVectorTy())
1360           Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(Width));
1361         Cloned->setOperand(op, Op);
1362       }
1363
1364       // Place the cloned scalar in the new loop.
1365       Builder.Insert(Cloned);
1366
1367       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
1368       // so that future users will be able to use it.
1369       if (!IsVoidRetTy)
1370         VecResults[Part] = Builder.CreateInsertElement(VecResults[Part], Cloned,
1371                                                        Builder.getInt32(Width));
1372     }
1373   }
1374 }
1375
1376 Instruction *
1377 InnerLoopVectorizer::addRuntimeCheck(LoopVectorizationLegality *Legal,
1378                                      Instruction *Loc) {
1379   LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck *PtrRtCheck =
1380   Legal->getRuntimePointerCheck();
1381
1382   if (!PtrRtCheck->Need)
1383     return NULL;
1384
1385   unsigned NumPointers = PtrRtCheck->Pointers.size();
1386   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Starts;
1387   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Ends;
1388
1389   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
1390
1391   // Use this type for pointer arithmetic.
1392   Type* PtrArithTy = Type::getInt8PtrTy(Loc->getContext(), 0);
1393
1394   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
1395     Value *Ptr = PtrRtCheck->Pointers[i];
1396     const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
1397
1398     if (SE->isLoopInvariant(Sc, OrigLoop)) {
1399       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for a loop invariant ptr:" <<
1400             *Ptr <<"\n");
1401       Starts.push_back(Ptr);
1402       Ends.push_back(Ptr);
1403     } else {
1404       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for range:" << *Ptr <<"\n");
1405
1406       Value *Start = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Starts[i], PtrArithTy, Loc);
1407       Value *End = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Ends[i], PtrArithTy, Loc);
1408       Starts.push_back(Start);
1409       Ends.push_back(End);
1410     }
1411   }
1412
1413   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
1414   // Our instructions might fold to a constant.
1415   Value *MemoryRuntimeCheck = 0;
1416   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
1417     for (unsigned j = i+1; j < NumPointers; ++j) {
1418       // No need to check if two readonly pointers intersect.
1419       if (!PtrRtCheck->IsWritePtr[i] && !PtrRtCheck->IsWritePtr[j])
1420         continue;
1421
1422       // Only need to check pointers between two different dependency sets.
1423       if (PtrRtCheck->DependencySetId[i] == PtrRtCheck->DependencySetId[j])
1424        continue;
1425
1426       Value *Start0 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[i], PtrArithTy, "bc");
1427       Value *Start1 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[j], PtrArithTy, "bc");
1428       Value *End0 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[i],   PtrArithTy, "bc");
1429       Value *End1 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[j],   PtrArithTy, "bc");
1430
1431       Value *Cmp0 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start0, End1, "bound0");
1432       Value *Cmp1 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start1, End0, "bound1");
1433       Value *IsConflict = ChkBuilder.CreateAnd(Cmp0, Cmp1, "found.conflict");
1434       if (MemoryRuntimeCheck)
1435         IsConflict = ChkBuilder.CreateOr(MemoryRuntimeCheck, IsConflict,
1436                                          "conflict.rdx");
1437       MemoryRuntimeCheck = IsConflict;
1438     }
1439   }
1440
1441   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
1442   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
1443   // the block.
1444   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
1445   Instruction * Check = BinaryOperator::CreateAnd(MemoryRuntimeCheck,
1446                                                   ConstantInt::getTrue(Ctx));
1447   ChkBuilder.Insert(Check, "memcheck.conflict");
1448   return Check;
1449 }
1450
1451 void
1452 InnerLoopVectorizer::createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
1453   /*
1454    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
1455    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
1456    scalar remainder.
1457
1458        [ ] <-- vector loop bypass (may consist of multiple blocks).
1459      /  |
1460     /   v
1461    |   [ ]     <-- vector pre header.
1462    |    |
1463    |    v
1464    |   [  ] \
1465    |   [  ]_|   <-- vector loop.
1466    |    |
1467     \   v
1468       >[ ]   <--- middle-block.
1469      /  |
1470     /   v
1471    |   [ ]     <--- new preheader.
1472    |    |
1473    |    v
1474    |   [ ] \
1475    |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
1476     \   |
1477      \  v
1478       >[ ]     <-- exit block.
1479    ...
1480    */
1481
1482   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
1483   BasicBlock *BypassBlock = OrigLoop->getLoopPreheader();
1484   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
1485   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
1486
1487   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
1488   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
1489   // induction variables. In the code below we also support a case where we
1490   // don't have a single induction variable.
1491   OldInduction = Legal->getInduction();
1492   Type *IdxTy = Legal->getWidestInductionType();
1493
1494   // Find the loop boundaries.
1495   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(OrigLoop);
1496   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
1497
1498   // Get the total trip count from the count by adding 1.
1499   ExitCount = SE->getAddExpr(ExitCount,
1500                              SE->getConstant(ExitCount->getType(), 1));
1501
1502   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
1503   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
1504   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
1505
1506   // Count holds the overall loop count (N).
1507   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
1508                                    BypassBlock->getTerminator());
1509
1510   // The loop index does not have to start at Zero. Find the original start
1511   // value from the induction PHI node. If we don't have an induction variable
1512   // then we know that it starts at zero.
1513   Builder.SetInsertPoint(BypassBlock->getTerminator());
1514   Value *StartIdx = ExtendedIdx = OldInduction ?
1515     Builder.CreateZExt(OldInduction->getIncomingValueForBlock(BypassBlock),
1516                        IdxTy):
1517     ConstantInt::get(IdxTy, 0);
1518
1519   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
1520   LoopBypassBlocks.push_back(BypassBlock);
1521
1522   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
1523   BasicBlock *VectorPH =
1524   BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
1525   BasicBlock *VecBody =
1526   VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
1527   BasicBlock *MiddleBlock =
1528   VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
1529   BasicBlock *ScalarPH =
1530   MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
1531
1532   // Create and register the new vector loop.
1533   Loop* Lp = new Loop();
1534   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
1535
1536   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks
1537   // before calling any utilities such as SCEV that require valid LoopInfo.
1538   if (ParentLoop) {
1539     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
1540     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, LI->getBase());
1541     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, LI->getBase());
1542     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, LI->getBase());
1543   } else {
1544     LI->addTopLevelLoop(Lp);
1545   }
1546   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, LI->getBase());
1547
1548   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
1549   // inside the loop.
1550   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
1551
1552   // Generate the induction variable.
1553   setDebugLocFromInst(Builder, getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
1554   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
1555   // The loop step is equal to the vectorization factor (num of SIMD elements)
1556   // times the unroll factor (num of SIMD instructions).
1557   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF * UF);
1558
1559   // This is the IR builder that we use to add all of the logic for bypassing
1560   // the new vector loop.
1561   IRBuilder<> BypassBuilder(BypassBlock->getTerminator());
1562   setDebugLocFromInst(BypassBuilder,
1563                       getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
1564
1565   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
1566   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
1567   if (Count->getType() != IdxTy) {
1568     // The exit count can be of pointer type. Convert it to the correct
1569     // integer type.
1570     if (ExitCount->getType()->isPointerTy())
1571       Count = BypassBuilder.CreatePointerCast(Count, IdxTy, "ptrcnt.to.int");
1572     else
1573       Count = BypassBuilder.CreateZExtOrTrunc(Count, IdxTy, "cnt.cast");
1574   }
1575
1576   // Add the start index to the loop count to get the new end index.
1577   Value *IdxEnd = BypassBuilder.CreateAdd(Count, StartIdx, "end.idx");
1578
1579   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
1580   // the part that the vectorized body will execute.
1581   Value *R = BypassBuilder.CreateURem(Count, Step, "n.mod.vf");
1582   Value *CountRoundDown = BypassBuilder.CreateSub(Count, R, "n.vec");
1583   Value *IdxEndRoundDown = BypassBuilder.CreateAdd(CountRoundDown, StartIdx,
1584                                                      "end.idx.rnd.down");
1585
1586   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
1587   // jump to the scalar loop.
1588   Value *Cmp = BypassBuilder.CreateICmpEQ(IdxEndRoundDown, StartIdx,
1589                                           "cmp.zero");
1590
1591   BasicBlock *LastBypassBlock = BypassBlock;
1592
1593   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
1594   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
1595   // faster.
1596   Instruction *MemRuntimeCheck = addRuntimeCheck(Legal,
1597                                                  BypassBlock->getTerminator());
1598   if (MemRuntimeCheck) {
1599     // Create a new block containing the memory check.
1600     BasicBlock *CheckBlock = BypassBlock->splitBasicBlock(MemRuntimeCheck,
1601                                                           "vector.memcheck");
1602     if (ParentLoop)
1603       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
1604     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
1605
1606     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
1607     // for the "few elements case".
1608     Instruction *OldTerm = BypassBlock->getTerminator();
1609     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
1610     OldTerm->eraseFromParent();
1611
1612     Cmp = MemRuntimeCheck;
1613     LastBypassBlock = CheckBlock;
1614   }
1615
1616   LastBypassBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
1617   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp,
1618                      LastBypassBlock);
1619
1620   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
1621   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
1622   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
1623   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
1624   // iteration in the vectorized loop.
1625   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original
1626   // start value.
1627
1628   // This variable saves the new starting index for the scalar loop.
1629   PHINode *ResumeIndex = 0;
1630   LoopVectorizationLegality::InductionList::iterator I, E;
1631   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
1632   // Set builder to point to last bypass block.
1633   BypassBuilder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1634   for (I = List->begin(), E = List->end(); I != E; ++I) {
1635     PHINode *OrigPhi = I->first;
1636     LoopVectorizationLegality::InductionInfo II = I->second;
1637
1638     Type *ResumeValTy = (OrigPhi == OldInduction) ? IdxTy : OrigPhi->getType();
1639     PHINode *ResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 2, "resume.val",
1640                                          MiddleBlock->getTerminator());
1641     // We might have extended the type of the induction variable but we need a
1642     // truncated version for the scalar loop.
1643     PHINode *TruncResumeVal = (OrigPhi == OldInduction) ?
1644       PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "trunc.resume.val",
1645                       MiddleBlock->getTerminator()) : 0;
1646
1647     Value *EndValue = 0;
1648     switch (II.IK) {
1649     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
1650       llvm_unreachable("Unknown induction");
1651     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
1652       // Handle the integer induction counter.
1653       assert(OrigPhi->getType()->isIntegerTy() && "Invalid type");
1654
1655       // We have the canonical induction variable.
1656       if (OrigPhi == OldInduction) {
1657         // Create a truncated version of the resume value for the scalar loop,
1658         // we might have promoted the type to a larger width.
1659         EndValue =
1660           BypassBuilder.CreateTrunc(IdxEndRoundDown, OrigPhi->getType());
1661         // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
1662         // or the value at the end of the vectorized loop.
1663         for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1664           TruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
1665         TruncResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
1666
1667         // We know what the end value is.
1668         EndValue = IdxEndRoundDown;
1669         // We also know which PHI node holds it.
1670         ResumeIndex = ResumeVal;
1671         break;
1672       }
1673
1674       // Not the canonical induction variable - add the vector loop count to the
1675       // start value.
1676       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
1677                                                    II.StartValue->getType(),
1678                                                    "cast.crd");
1679       EndValue = BypassBuilder.CreateAdd(CRD, II.StartValue , "ind.end");
1680       break;
1681     }
1682     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction: {
1683       // Convert the CountRoundDown variable to the PHI size.
1684       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
1685                                                    II.StartValue->getType(),
1686                                                    "cast.crd");
1687       // Handle reverse integer induction counter.
1688       EndValue = BypassBuilder.CreateSub(II.StartValue, CRD, "rev.ind.end");
1689       break;
1690     }
1691     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction: {
1692       // For pointer induction variables, calculate the offset using
1693       // the end index.
1694       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, CountRoundDown,
1695                                          "ptr.ind.end");
1696       break;
1697     }
1698     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction: {
1699       // The value at the end of the loop for the reverse pointer is calculated
1700       // by creating a GEP with a negative index starting from the start value.
1701       Value *Zero = ConstantInt::get(CountRoundDown->getType(), 0);
1702       Value *NegIdx = BypassBuilder.CreateSub(Zero, CountRoundDown,
1703                                               "rev.ind.end");
1704       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, NegIdx,
1705                                          "rev.ptr.ind.end");
1706       break;
1707     }
1708     }// end of case
1709
1710     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
1711     // or the value at the end of the vectorized loop.
1712     for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I) {
1713       if (OrigPhi == OldInduction)
1714         ResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
1715       else
1716         ResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
1717     }
1718     ResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
1719
1720     // Fix the scalar body counter (PHI node).
1721     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
1722     // The old inductions phi node in the scalar body needs the truncated value.
1723     if (OrigPhi == OldInduction)
1724       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, TruncResumeVal);
1725     else
1726       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, ResumeVal);
1727   }
1728
1729   // If we are generating a new induction variable then we also need to
1730   // generate the code that calculates the exit value. This value is not
1731   // simply the end of the counter because we may skip the vectorized body
1732   // in case of a runtime check.
1733   if (!OldInduction){
1734     assert(!ResumeIndex && "Unexpected resume value found");
1735     ResumeIndex = PHINode::Create(IdxTy, 2, "new.indc.resume.val",
1736                                   MiddleBlock->getTerminator());
1737     for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1738       ResumeIndex->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
1739     ResumeIndex->addIncoming(IdxEndRoundDown, VecBody);
1740   }
1741
1742   // Make sure that we found the index where scalar loop needs to continue.
1743   assert(ResumeIndex && ResumeIndex->getType()->isIntegerTy() &&
1744          "Invalid resume Index");
1745
1746   // Add a check in the middle block to see if we have completed
1747   // all of the iterations in the first vector loop.
1748   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
1749   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, IdxEnd,
1750                                 ResumeIndex, "cmp.n",
1751                                 MiddleBlock->getTerminator());
1752
1753   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
1754   // Remove the old terminator.
1755   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
1756
1757   // Create i+1 and fill the PHINode.
1758   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
1759   Induction->addIncoming(StartIdx, VectorPH);
1760   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
1761   // Create the compare.
1762   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, IdxEndRoundDown);
1763   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
1764
1765   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
1766   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
1767
1768   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
1769   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
1770
1771   // Save the state.
1772   LoopVectorPreHeader = VectorPH;
1773   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
1774   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
1775   LoopExitBlock = ExitBlock;
1776   LoopVectorBody = VecBody;
1777   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
1778 }
1779
1780 /// This function returns the identity element (or neutral element) for
1781 /// the operation K.
1782 Constant*
1783 LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp) {
1784   switch (K) {
1785   case RK_IntegerXor:
1786   case RK_IntegerAdd:
1787   case RK_IntegerOr:
1788     // Adding, Xoring, Oring zero to a number does not change it.
1789     return ConstantInt::get(Tp, 0);
1790   case RK_IntegerMult:
1791     // Multiplying a number by 1 does not change it.
1792     return ConstantInt::get(Tp, 1);
1793   case RK_IntegerAnd:
1794     // AND-ing a number with an all-1 value does not change it.
1795     return ConstantInt::get(Tp, -1, true);
1796   case  RK_FloatMult:
1797     // Multiplying a number by 1 does not change it.
1798     return ConstantFP::get(Tp, 1.0L);
1799   case  RK_FloatAdd:
1800     // Adding zero to a number does not change it.
1801     return ConstantFP::get(Tp, 0.0L);
1802   default:
1803     llvm_unreachable("Unknown reduction kind");
1804   }
1805 }
1806
1807 static Intrinsic::ID
1808 getIntrinsicIDForCall(CallInst *CI, const TargetLibraryInfo *TLI) {
1809   // If we have an intrinsic call, check if it is trivially vectorizable.
1810   if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(CI)) {
1811     switch (II->getIntrinsicID()) {
1812     case Intrinsic::sqrt:
1813     case Intrinsic::sin:
1814     case Intrinsic::cos:
1815     case Intrinsic::exp:
1816     case Intrinsic::exp2:
1817     case Intrinsic::log:
1818     case Intrinsic::log10:
1819     case Intrinsic::log2:
1820     case Intrinsic::fabs:
1821     case Intrinsic::copysign:
1822     case Intrinsic::floor:
1823     case Intrinsic::ceil:
1824     case Intrinsic::trunc:
1825     case Intrinsic::rint:
1826     case Intrinsic::nearbyint:
1827     case Intrinsic::round:
1828     case Intrinsic::pow:
1829     case Intrinsic::fma:
1830     case Intrinsic::fmuladd:
1831     case Intrinsic::lifetime_start:
1832     case Intrinsic::lifetime_end:
1833       return II->getIntrinsicID();
1834     default:
1835       return Intrinsic::not_intrinsic;
1836     }
1837   }
1838
1839   if (!TLI)
1840     return Intrinsic::not_intrinsic;
1841
1842   LibFunc::Func Func;
1843   Function *F = CI->getCalledFunction();
1844   // We're going to make assumptions on the semantics of the functions, check
1845   // that the target knows that it's available in this environment.
1846   if (!F || !TLI->getLibFunc(F->getName(), Func))
1847     return Intrinsic::not_intrinsic;
1848
1849   // Otherwise check if we have a call to a function that can be turned into a
1850   // vector intrinsic.
1851   switch (Func) {
1852   default:
1853     break;
1854   case LibFunc::sin:
1855   case LibFunc::sinf:
1856   case LibFunc::sinl:
1857     return Intrinsic::sin;
1858   case LibFunc::cos:
1859   case LibFunc::cosf:
1860   case LibFunc::cosl:
1861     return Intrinsic::cos;
1862   case LibFunc::exp:
1863   case LibFunc::expf:
1864   case LibFunc::expl:
1865     return Intrinsic::exp;
1866   case LibFunc::exp2:
1867   case LibFunc::exp2f:
1868   case LibFunc::exp2l:
1869     return Intrinsic::exp2;
1870   case LibFunc::log:
1871   case LibFunc::logf:
1872   case LibFunc::logl:
1873     return Intrinsic::log;
1874   case LibFunc::log10:
1875   case LibFunc::log10f:
1876   case LibFunc::log10l:
1877     return Intrinsic::log10;
1878   case LibFunc::log2:
1879   case LibFunc::log2f:
1880   case LibFunc::log2l:
1881     return Intrinsic::log2;
1882   case LibFunc::fabs:
1883   case LibFunc::fabsf:
1884   case LibFunc::fabsl:
1885     return Intrinsic::fabs;
1886   case LibFunc::copysign:
1887   case LibFunc::copysignf:
1888   case LibFunc::copysignl:
1889     return Intrinsic::copysign;
1890   case LibFunc::floor:
1891   case LibFunc::floorf:
1892   case LibFunc::floorl:
1893     return Intrinsic::floor;
1894   case LibFunc::ceil:
1895   case LibFunc::ceilf:
1896   case LibFunc::ceill:
1897     return Intrinsic::ceil;
1898   case LibFunc::trunc:
1899   case LibFunc::truncf:
1900   case LibFunc::truncl:
1901     return Intrinsic::trunc;
1902   case LibFunc::rint:
1903   case LibFunc::rintf:
1904   case LibFunc::rintl:
1905     return Intrinsic::rint;
1906   case LibFunc::nearbyint:
1907   case LibFunc::nearbyintf:
1908   case LibFunc::nearbyintl:
1909     return Intrinsic::nearbyint;
1910   case LibFunc::round:
1911   case LibFunc::roundf:
1912   case LibFunc::roundl:
1913     return Intrinsic::round;
1914   case LibFunc::pow:
1915   case LibFunc::powf:
1916   case LibFunc::powl:
1917     return Intrinsic::pow;
1918   }
1919
1920   return Intrinsic::not_intrinsic;
1921 }
1922
1923 /// This function translates the reduction kind to an LLVM binary operator.
1924 static unsigned
1925 getReductionBinOp(LoopVectorizationLegality::ReductionKind Kind) {
1926   switch (Kind) {
1927     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAdd:
1928       return Instruction::Add;
1929     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMult:
1930       return Instruction::Mul;
1931     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerOr:
1932       return Instruction::Or;
1933     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAnd:
1934       return Instruction::And;
1935     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerXor:
1936       return Instruction::Xor;
1937     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMult:
1938       return Instruction::FMul;
1939     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatAdd:
1940       return Instruction::FAdd;
1941     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax:
1942       return Instruction::ICmp;
1943     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax:
1944       return Instruction::FCmp;
1945     default:
1946       llvm_unreachable("Unknown reduction operation");
1947   }
1948 }
1949
1950 Value *createMinMaxOp(IRBuilder<> &Builder,
1951                       LoopVectorizationLegality::MinMaxReductionKind RK,
1952                       Value *Left,
1953                       Value *Right) {
1954   CmpInst::Predicate P = CmpInst::ICMP_NE;
1955   switch (RK) {
1956   default:
1957     llvm_unreachable("Unknown min/max reduction kind");
1958   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMin:
1959     P = CmpInst::ICMP_ULT;
1960     break;
1961   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMax:
1962     P = CmpInst::ICMP_UGT;
1963     break;
1964   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMin:
1965     P = CmpInst::ICMP_SLT;
1966     break;
1967   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMax:
1968     P = CmpInst::ICMP_SGT;
1969     break;
1970   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin:
1971     P = CmpInst::FCMP_OLT;
1972     break;
1973   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax:
1974     P = CmpInst::FCMP_OGT;
1975     break;
1976   }
1977
1978   Value *Cmp;
1979   if (RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin ||
1980       RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax)
1981     Cmp = Builder.CreateFCmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
1982   else
1983     Cmp = Builder.CreateICmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
1984
1985   Value *Select = Builder.CreateSelect(Cmp, Left, Right, "rdx.minmax.select");
1986   return Select;
1987 }
1988
1989 void
1990 InnerLoopVectorizer::vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
1991   //===------------------------------------------------===//
1992   //
1993   // Notice: any optimization or new instruction that go
1994   // into the code below should be also be implemented in
1995   // the cost-model.
1996   //
1997   //===------------------------------------------------===//
1998   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1999
2000   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
2001   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
2002   // stages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
2003   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
2004   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
2005   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
2006   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
2007   // construct the PHI.
2008   PhiVector RdxPHIsToFix;
2009
2010   // Scan the loop in a topological order to ensure that defs are vectorized
2011   // before users.
2012   LoopBlocksDFS DFS(OrigLoop);
2013   DFS.perform(LI);
2014
2015   // Vectorize all of the blocks in the original loop.
2016   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
2017        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb)
2018     vectorizeBlockInLoop(Legal, *bb, &RdxPHIsToFix);
2019
2020   // At this point every instruction in the original loop is widened to
2021   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
2022   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
2023   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
2024   // that we need to fix are reduction variables.
2025
2026   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
2027   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
2028   // after the loop is finished.
2029   for (PhiVector::iterator it = RdxPHIsToFix.begin(), e = RdxPHIsToFix.end();
2030        it != e; ++it) {
2031     PHINode *RdxPhi = *it;
2032     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
2033
2034     // Find the reduction variable descriptor.
2035     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
2036            "Unable to find the reduction variable");
2037     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
2038     (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
2039
2040     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.StartValue);
2041
2042     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
2043     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and overide
2044     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
2045     // to do it in the vector-loop preheader.
2046     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.front()->getTerminator());
2047
2048     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
2049     VectorParts &VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2050     Type *VecTy = VectorExit[0]->getType();
2051
2052     // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
2053     // one for multiplication, -1 for And.
2054     Value *Identity;
2055     Value *VectorStart;
2056     if (RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax ||
2057         RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax) {
2058       // MinMax reduction have the start value as their identify.
2059       if (VF == 1) {
2060         VectorStart = Identity = RdxDesc.StartValue;
2061       } else {
2062         VectorStart = Identity = Builder.CreateVectorSplat(VF,
2063                                                            RdxDesc.StartValue,
2064                                                            "minmax.ident");
2065       }
2066     } else {
2067       // Handle other reduction kinds:
2068       Constant *Iden =
2069       LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(RdxDesc.Kind,
2070                                                       VecTy->getScalarType());
2071       if (VF == 1) {
2072         Identity = Iden;
2073         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2074         // incoming scalar reduction.
2075         VectorStart = RdxDesc.StartValue;
2076       } else {
2077         Identity = ConstantVector::getSplat(VF, Iden);
2078
2079         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2080         // incoming scalar reduction.
2081         VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
2082                                                   RdxDesc.StartValue, Zero);
2083       }
2084     }
2085
2086     // Fix the vector-loop phi.
2087     // We created the induction variable so we know that the
2088     // preheader is the first entry.
2089     BasicBlock *VecPreheader = Induction->getIncomingBlock(0);
2090
2091     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
2092     // any loop invariant values.
2093     VectorParts &VecRdxPhi = WidenMap.get(RdxPhi);
2094     BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
2095     Value *LoopVal = RdxPhi->getIncomingValueForBlock(Latch);
2096     VectorParts &Val = getVectorValue(LoopVal);
2097     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2098       // Make sure to add the reduction stat value only to the
2099       // first unroll part.
2100       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2101       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(StartVal, VecPreheader);
2102       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(Val[part], LoopVectorBody);
2103     }
2104
2105     // Before each round, move the insertion point right between
2106     // the PHIs and the values we are going to write.
2107     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
2108     // instructions.
2109     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
2110
2111     VectorParts RdxParts;
2112     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.LoopExitInstr);
2113     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2114       // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
2115       // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
2116       VectorParts &RdxExitVal = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2117       PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
2118       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2119       for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2120         NewPhi->addIncoming(StartVal, LoopBypassBlocks[I]);
2121       NewPhi->addIncoming(RdxExitVal[part], LoopVectorBody);
2122       RdxParts.push_back(NewPhi);
2123     }
2124
2125     // Reduce all of the unrolled parts into a single vector.
2126     Value *ReducedPartRdx = RdxParts[0];
2127     unsigned Op = getReductionBinOp(RdxDesc.Kind);
2128     setDebugLocFromInst(Builder, ReducedPartRdx);
2129     for (unsigned part = 1; part < UF; ++part) {
2130       if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2131         ReducedPartRdx = Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op,
2132                                              RdxParts[part], ReducedPartRdx,
2133                                              "bin.rdx");
2134       else
2135         ReducedPartRdx = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind,
2136                                         ReducedPartRdx, RdxParts[part]);
2137     }
2138
2139     if (VF > 1) {
2140       // VF is a power of 2 so we can emit the reduction using log2(VF) shuffles
2141       // and vector ops, reducing the set of values being computed by half each
2142       // round.
2143       assert(isPowerOf2_32(VF) &&
2144              "Reduction emission only supported for pow2 vectors!");
2145       Value *TmpVec = ReducedPartRdx;
2146       SmallVector<Constant*, 32> ShuffleMask(VF, 0);
2147       for (unsigned i = VF; i != 1; i >>= 1) {
2148         // Move the upper half of the vector to the lower half.
2149         for (unsigned j = 0; j != i/2; ++j)
2150           ShuffleMask[j] = Builder.getInt32(i/2 + j);
2151
2152         // Fill the rest of the mask with undef.
2153         std::fill(&ShuffleMask[i/2], ShuffleMask.end(),
2154                   UndefValue::get(Builder.getInt32Ty()));
2155
2156         Value *Shuf =
2157         Builder.CreateShuffleVector(TmpVec,
2158                                     UndefValue::get(TmpVec->getType()),
2159                                     ConstantVector::get(ShuffleMask),
2160                                     "rdx.shuf");
2161
2162         if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2163           TmpVec = Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op, TmpVec, Shuf,
2164                                        "bin.rdx");
2165         else
2166           TmpVec = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind, TmpVec, Shuf);
2167       }
2168
2169       // The result is in the first element of the vector.
2170       ReducedPartRdx = Builder.CreateExtractElement(TmpVec,
2171                                                     Builder.getInt32(0));
2172     }
2173
2174     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
2175     // inside and outside of the scalar remainder loop.
2176     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
2177     // PHI nodes in the exit blocks.
2178     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2179          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2180       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2181       if (!LCSSAPhi) break;
2182
2183       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
2184       // we already fixed them.
2185       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
2186
2187       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
2188       // incoming bypass edge.
2189       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
2190         // Add an edge coming from the bypass.
2191         LCSSAPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2192         break;
2193       }
2194     }// end of the LCSSA phi scan.
2195
2196     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
2197     // from the vector body and from the backedge value.
2198     int IncomingEdgeBlockIdx =
2199     (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(OrigLoop->getLoopLatch());
2200     assert(IncomingEdgeBlockIdx >= 0 && "Invalid block index");
2201     // Pick the other block.
2202     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1);
2203     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, ReducedPartRdx);
2204     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
2205   }// end of for each redux variable.
2206  
2207   fixLCSSAPHIs();
2208 }
2209
2210 void InnerLoopVectorizer::fixLCSSAPHIs() {
2211   for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2212        LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2213     PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2214     if (!LCSSAPhi) break;
2215     if (LCSSAPhi->getNumIncomingValues() == 1)
2216       LCSSAPhi->addIncoming(UndefValue::get(LCSSAPhi->getType()),
2217                             LoopMiddleBlock);
2218   }
2219
2220
2221 InnerLoopVectorizer::VectorParts
2222 InnerLoopVectorizer::createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst) {
2223   assert(std::find(pred_begin(Dst), pred_end(Dst), Src) != pred_end(Dst) &&
2224          "Invalid edge");
2225
2226   // Look for cached value.
2227   std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*> Edge(Src, Dst);
2228   EdgeMaskCache::iterator ECEntryIt = MaskCache.find(Edge);
2229   if (ECEntryIt != MaskCache.end())
2230     return ECEntryIt->second;
2231
2232   VectorParts SrcMask = createBlockInMask(Src);
2233
2234   // The terminator has to be a branch inst!
2235   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Src->getTerminator());
2236   assert(BI && "Unexpected terminator found");
2237
2238   if (BI->isConditional()) {
2239     VectorParts EdgeMask = getVectorValue(BI->getCondition());
2240
2241     if (BI->getSuccessor(0) != Dst)
2242       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2243         EdgeMask[part] = Builder.CreateNot(EdgeMask[part]);
2244
2245     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2246       EdgeMask[part] = Builder.CreateAnd(EdgeMask[part], SrcMask[part]);
2247
2248     MaskCache[Edge] = EdgeMask;
2249     return EdgeMask;
2250   }
2251
2252   MaskCache[Edge] = SrcMask;
2253   return SrcMask;
2254 }
2255
2256 InnerLoopVectorizer::VectorParts
2257 InnerLoopVectorizer::createBlockInMask(BasicBlock *BB) {
2258   assert(OrigLoop->contains(BB) && "Block is not a part of a loop");
2259
2260   // Loop incoming mask is all-one.
2261   if (OrigLoop->getHeader() == BB) {
2262     Value *C = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 1);
2263     return getVectorValue(C);
2264   }
2265
2266   // This is the block mask. We OR all incoming edges, and with zero.
2267   Value *Zero = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 0);
2268   VectorParts BlockMask = getVectorValue(Zero);
2269
2270   // For each pred:
2271   for (pred_iterator it = pred_begin(BB), e = pred_end(BB); it != e; ++it) {
2272     VectorParts EM = createEdgeMask(*it, BB);
2273     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2274       BlockMask[part] = Builder.CreateOr(BlockMask[part], EM[part]);
2275   }
2276
2277   return BlockMask;
2278 }
2279
2280 void InnerLoopVectorizer::widenPHIInstruction(Instruction *PN,
2281                                               InnerLoopVectorizer::VectorParts &Entry,
2282                                               LoopVectorizationLegality *Legal,
2283                                               unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV) {
2284   PHINode* P = cast<PHINode>(PN);
2285   // Handle reduction variables:
2286   if (Legal->getReductionVars()->count(P)) {
2287     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2288       // This is phase one of vectorizing PHIs.
2289       Type *VecTy = (VF == 1) ? PN->getType() :
2290       VectorType::get(PN->getType(), VF);
2291       Entry[part] = PHINode::Create(VecTy, 2, "vec.phi",
2292                                     LoopVectorBody-> getFirstInsertionPt());
2293     }
2294     PV->push_back(P);
2295     return;
2296   }
2297
2298   setDebugLocFromInst(Builder, P);
2299   // Check for PHI nodes that are lowered to vector selects.
2300   if (P->getParent() != OrigLoop->getHeader()) {
2301     // We know that all PHIs in non header blocks are converted into
2302     // selects, so we don't have to worry about the insertion order and we
2303     // can just use the builder.
2304     // At this point we generate the predication tree. There may be
2305     // duplications since this is a simple recursive scan, but future
2306     // optimizations will clean it up.
2307
2308     unsigned NumIncoming = P->getNumIncomingValues();
2309
2310     // Generate a sequence of selects of the form:
2311     // SELECT(Mask3, In3,
2312     //      SELECT(Mask2, In2,
2313     //                   ( ...)))
2314     for (unsigned In = 0; In < NumIncoming; In++) {
2315       VectorParts Cond = createEdgeMask(P->getIncomingBlock(In),
2316                                         P->getParent());
2317       VectorParts &In0 = getVectorValue(P->getIncomingValue(In));
2318
2319       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2320         // We might have single edge PHIs (blocks) - use an identity
2321         // 'select' for the first PHI operand.
2322         if (In == 0)
2323           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
2324                                              In0[part]);
2325         else
2326           // Select between the current value and the previous incoming edge
2327           // based on the incoming mask.
2328           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
2329                                              Entry[part], "predphi");
2330       }
2331     }
2332     return;
2333   }
2334
2335   // This PHINode must be an induction variable.
2336   // Make sure that we know about it.
2337   assert(Legal->getInductionVars()->count(P) &&
2338          "Not an induction variable");
2339
2340   LoopVectorizationLegality::InductionInfo II =
2341   Legal->getInductionVars()->lookup(P);
2342
2343   switch (II.IK) {
2344     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
2345       llvm_unreachable("Unknown induction");
2346     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
2347       assert(P->getType() == II.StartValue->getType() && "Types must match");
2348       Type *PhiTy = P->getType();
2349       Value *Broadcasted;
2350       if (P == OldInduction) {
2351         // Handle the canonical induction variable. We might have had to
2352         // extend the type.
2353         Broadcasted = Builder.CreateTrunc(Induction, PhiTy);
2354       } else {
2355         // Handle other induction variables that are now based on the
2356         // canonical one.
2357         Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, ExtendedIdx,
2358                                                  "normalized.idx");
2359         NormalizedIdx = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, PhiTy);
2360         Broadcasted = Builder.CreateAdd(II.StartValue, NormalizedIdx,
2361                                         "offset.idx");
2362       }
2363       Broadcasted = getBroadcastInstrs(Broadcasted);
2364       // After broadcasting the induction variable we need to make the vector
2365       // consecutive by adding 0, 1, 2, etc.
2366       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2367         Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * part, false);
2368       return;
2369     }
2370     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction:
2371     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction:
2372     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction:
2373       // Handle reverse integer and pointer inductions.
2374       Value *StartIdx = ExtendedIdx;
2375       // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
2376       Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, StartIdx,
2377                                                "normalized.idx");
2378
2379       // Handle the reverse integer induction variable case.
2380       if (LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction == II.IK) {
2381         IntegerType *DstTy = cast<IntegerType>(II.StartValue->getType());
2382         Value *CNI = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, DstTy,
2383                                                "resize.norm.idx");
2384         Value *ReverseInd  = Builder.CreateSub(II.StartValue, CNI,
2385                                                "reverse.idx");
2386
2387         // This is a new value so do not hoist it out.
2388         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ReverseInd);
2389         // After broadcasting the induction variable we need to make the
2390         // vector consecutive by adding  ... -3, -2, -1, 0.
2391         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2392           Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, -(int)VF * part,
2393                                              true);
2394         return;
2395       }
2396
2397       // Handle the pointer induction variable case.
2398       assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
2399
2400       // Is this a reverse induction ptr or a consecutive induction ptr.
2401       bool Reverse = (LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction ==
2402                       II.IK);
2403
2404       // This is the vector of results. Notice that we don't generate
2405       // vector geps because scalar geps result in better code.
2406       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2407         if (VF == 1) {
2408           int EltIndex = (part) * (Reverse ? -1 : 1);
2409           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
2410           Value *GlobalIdx;
2411           if (Reverse)
2412             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
2413           else
2414             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
2415
2416           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
2417                                              "next.gep");
2418           Entry[part] = SclrGep;
2419           continue;
2420         }
2421
2422         Value *VecVal = UndefValue::get(VectorType::get(P->getType(), VF));
2423         for (unsigned int i = 0; i < VF; ++i) {
2424           int EltIndex = (i + part * VF) * (Reverse ? -1 : 1);
2425           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
2426           Value *GlobalIdx;
2427           if (!Reverse)
2428             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
2429           else
2430             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
2431
2432           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
2433                                              "next.gep");
2434           VecVal = Builder.CreateInsertElement(VecVal, SclrGep,
2435                                                Builder.getInt32(i),
2436                                                "insert.gep");
2437         }
2438         Entry[part] = VecVal;
2439       }
2440       return;
2441   }
2442 }
2443
2444 void
2445 InnerLoopVectorizer::vectorizeBlockInLoop(LoopVectorizationLegality *Legal,
2446                                           BasicBlock *BB, PhiVector *PV) {
2447   // For each instruction in the old loop.
2448   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
2449     VectorParts &Entry = WidenMap.get(it);
2450     switch (it->getOpcode()) {
2451     case Instruction::Br:
2452       // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
2453       // loop control flow instructions.
2454       continue;
2455     case Instruction::PHI:{
2456       // Vectorize PHINodes.
2457       widenPHIInstruction(it, Entry, Legal, UF, VF, PV);
2458       continue;
2459     }// End of PHI.
2460
2461     case Instruction::Add:
2462     case Instruction::FAdd:
2463     case Instruction::Sub:
2464     case Instruction::FSub:
2465     case Instruction::Mul:
2466     case Instruction::FMul:
2467     case Instruction::UDiv:
2468     case Instruction::SDiv:
2469     case Instruction::FDiv:
2470     case Instruction::URem:
2471     case Instruction::SRem:
2472     case Instruction::FRem:
2473     case Instruction::Shl:
2474     case Instruction::LShr:
2475     case Instruction::AShr:
2476     case Instruction::And:
2477     case Instruction::Or:
2478     case Instruction::Xor: {
2479       // Just widen binops.
2480       BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(it);
2481       setDebugLocFromInst(Builder, BinOp);
2482       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2483       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
2484
2485       // Use this vector value for all users of the original instruction.
2486       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2487         Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A[Part], B[Part]);
2488
2489         // Update the NSW, NUW and Exact flags. Notice: V can be an Undef.
2490         BinaryOperator *VecOp = dyn_cast<BinaryOperator>(V);
2491         if (VecOp && isa<OverflowingBinaryOperator>(BinOp)) {
2492           VecOp->setHasNoSignedWrap(BinOp->hasNoSignedWrap());
2493           VecOp->setHasNoUnsignedWrap(BinOp->hasNoUnsignedWrap());
2494         }
2495         if (VecOp && isa<PossiblyExactOperator>(VecOp))
2496           VecOp->setIsExact(BinOp->isExact());
2497
2498         Entry[Part] = V;
2499       }
2500       break;
2501     }
2502     case Instruction::Select: {
2503       // Widen selects.
2504       // If the selector is loop invariant we can create a select
2505       // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
2506       bool InvariantCond = SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(it->getOperand(0)),
2507                                                OrigLoop);
2508       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2509
2510       // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
2511       // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
2512       // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
2513       // Instcombine will make this a no-op.
2514       VectorParts &Cond = getVectorValue(it->getOperand(0));
2515       VectorParts &Op0  = getVectorValue(it->getOperand(1));
2516       VectorParts &Op1  = getVectorValue(it->getOperand(2));
2517
2518       Value *ScalarCond = (VF == 1) ? Cond[0] :
2519         Builder.CreateExtractElement(Cond[0], Builder.getInt32(0));
2520
2521       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2522         Entry[Part] = Builder.CreateSelect(
2523           InvariantCond ? ScalarCond : Cond[Part],
2524           Op0[Part],
2525           Op1[Part]);
2526       }
2527       break;
2528     }
2529
2530     case Instruction::ICmp:
2531     case Instruction::FCmp: {
2532       // Widen compares. Generate vector compares.
2533       bool FCmp = (it->getOpcode() == Instruction::FCmp);
2534       CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(it);
2535       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2536       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2537       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
2538       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2539         Value *C = 0;
2540         if (FCmp)
2541           C = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
2542         else
2543           C = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
2544         Entry[Part] = C;
2545       }
2546       break;
2547     }
2548
2549     case Instruction::Store:
2550     case Instruction::Load:
2551         vectorizeMemoryInstruction(it, Legal);
2552         break;
2553     case Instruction::ZExt:
2554     case Instruction::SExt:
2555     case Instruction::FPToUI:
2556     case Instruction::FPToSI:
2557     case Instruction::FPExt:
2558     case Instruction::PtrToInt:
2559     case Instruction::IntToPtr:
2560     case Instruction::SIToFP:
2561     case Instruction::UIToFP:
2562     case Instruction::Trunc:
2563     case Instruction::FPTrunc:
2564     case Instruction::BitCast: {
2565       CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(it);
2566       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2567       /// Optimize the special case where the source is the induction
2568       /// variable. Notice that we can only optimize the 'trunc' case
2569       /// because: a. FP conversions lose precision, b. sext/zext may wrap,
2570       /// c. other casts depend on pointer size.
2571       if (CI->getOperand(0) == OldInduction &&
2572           it->getOpcode() == Instruction::Trunc) {
2573         Value *ScalarCast = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), Induction,
2574                                                CI->getType());
2575         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ScalarCast);
2576         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
2577           Entry[Part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * Part, false);
2578         break;
2579       }
2580       /// Vectorize casts.
2581       Type *DestTy = (VF == 1) ? CI->getType() :
2582                                  VectorType::get(CI->getType(), VF);
2583
2584       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2585       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
2586         Entry[Part] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A[Part], DestTy);
2587       break;
2588     }
2589
2590     case Instruction::Call: {
2591       // Ignore dbg intrinsics.
2592       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
2593         break;
2594       setDebugLocFromInst(Builder, it);
2595
2596       Module *M = BB->getParent()->getParent();
2597       CallInst *CI = cast<CallInst>(it);
2598       Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
2599       assert(ID && "Not an intrinsic call!");
2600       switch (ID) {
2601       case Intrinsic::lifetime_end:
2602       case Intrinsic::lifetime_start:
2603         scalarizeInstruction(it);
2604         break;
2605       default:
2606         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2607           SmallVector<Value *, 4> Args;
2608           for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i) {
2609             VectorParts &Arg = getVectorValue(CI->getArgOperand(i));
2610             Args.push_back(Arg[Part]);
2611           }
2612           Type *Tys[] = {CI->getType()};
2613           if (VF > 1)
2614             Tys[0] = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
2615
2616           Function *F = Intrinsic::getDeclaration(M, ID, Tys);
2617           Entry[Part] = Builder.CreateCall(F, Args);
2618         }
2619         break;
2620       }
2621       break;
2622     }
2623
2624     default:
2625       // All other instructions are unsupported. Scalarize them.
2626       scalarizeInstruction(it);
2627       break;
2628     }// end of switch.
2629   }// end of for_each instr.
2630 }
2631
2632 void InnerLoopVectorizer::updateAnalysis() {
2633   // Forget the original basic block.
2634   SE->forgetLoop(OrigLoop);
2635
2636   // Update the dominator tree information.
2637   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlocks.front(), LoopExitBlock) &&
2638          "Entry does not dominate exit.");
2639
2640   for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2641     DT->addNewBlock(LoopBypassBlocks[I], LoopBypassBlocks[I-1]);
2642   DT->addNewBlock(LoopVectorPreHeader, LoopBypassBlocks.back());
2643   DT->addNewBlock(LoopVectorBody, LoopVectorPreHeader);
2644   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock, LoopBypassBlocks.front());
2645   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopMiddleBlock);
2646   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
2647   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopMiddleBlock);
2648
2649   DEBUG(DT->verifyAnalysis());
2650 }
2651
2652 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeWithIfConvert() {
2653   if (!EnableIfConversion)
2654     return false;
2655
2656   assert(TheLoop->getNumBlocks() > 1 && "Single block loops are vectorizable");
2657   std::vector<BasicBlock*> &LoopBlocks = TheLoop->getBlocksVector();
2658
2659   // A list of pointers that we can safely read and write to.
2660   SmallPtrSet<Value *, 8> SafePointes;
2661
2662   // Collect safe addresses.
2663   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i < e; ++i) {
2664     BasicBlock *BB = LoopBlocks[i];
2665
2666     if (blockNeedsPredication(BB))
2667       continue;
2668
2669     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
2670       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
2671         SafePointes.insert(LI->getPointerOperand());
2672       else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
2673         SafePointes.insert(SI->getPointerOperand());
2674     }
2675   }
2676
2677   // Collect the blocks that need predication.
2678   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i < e; ++i) {
2679     BasicBlock *BB = LoopBlocks[i];
2680
2681     // We don't support switch statements inside loops.
2682     if (!isa<BranchInst>(BB->getTerminator()))
2683       return false;
2684
2685     // We must be able to predicate all blocks that need to be predicated.
2686     if (blockNeedsPredication(BB) && !blockCanBePredicated(BB, SafePointes))
2687       return false;
2688   }
2689
2690   // We can if-convert this loop.
2691   return true;
2692 }
2693
2694 bool LoopVectorizationLegality::canVectorize() {
2695   // We must have a loop in canonical form. Loops with indirectbr in them cannot
2696   // be canonicalized.
2697   if (!TheLoop->getLoopPreheader())
2698     return false;
2699
2700   // We can only vectorize innermost loops.
2701   if (TheLoop->getSubLoopsVector().size())
2702     return false;
2703
2704   // We must have a single backedge.
2705   if (TheLoop->getNumBackEdges() != 1)
2706     return false;
2707
2708   // We must have a single exiting block.
2709   if (!TheLoop->getExitingBlock())
2710     return false;
2711
2712   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
2713
2714   // Check if we can if-convert non single-bb loops.
2715   if (NumBlocks != 1 && !canVectorizeWithIfConvert()) {
2716     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't if-convert the loop.\n");
2717     return false;
2718   }
2719
2720   // We need to have a loop header.
2721   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
2722   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " <<
2723         TheLoop->getHeader()->getName() << "\n");
2724
2725   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
2726   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(TheLoop);
2727   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
2728     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
2729     return false;
2730   }
2731
2732   // Do not loop-vectorize loops with a tiny trip count.
2733   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop, Latch);
2734   if (TC > 0u && TC < TinyTripCountVectorThreshold) {
2735     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. " <<
2736           "This loop is not worth vectorizing.\n");
2737     return false;
2738   }
2739
2740   // Check if we can vectorize the instructions and CFG in this loop.
2741   if (!canVectorizeInstrs()) {
2742     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize the instructions or CFG\n");
2743     return false;
2744   }
2745
2746   // Go over each instruction and look at memory deps.
2747   if (!canVectorizeMemory()) {
2748     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize due to memory conflicts\n");
2749     return false;
2750   }
2751
2752   // Collect all of the variables that remain uniform after vectorization.
2753   collectLoopUniforms();
2754
2755   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop" <<
2756         (PtrRtCheck.Need ? " (with a runtime bound check)" : "")
2757         <<"!\n");
2758
2759   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
2760   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return true with
2761   // no restrictions.
2762   return true;
2763 }
2764
2765 static Type *convertPointerToIntegerType(DataLayout &DL, Type *Ty) {
2766   if (Ty->isPointerTy())
2767     return DL.getIntPtrType(Ty);
2768
2769   return Ty;
2770 }
2771
2772 static Type* getWiderType(DataLayout &DL, Type *Ty0, Type *Ty1) {
2773   Ty0 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty0);
2774   Ty1 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty1);
2775   if (Ty0->getScalarSizeInBits() > Ty1->getScalarSizeInBits())
2776     return Ty0;
2777   return Ty1;
2778 }
2779
2780 /// \brief Check that the instruction has outside loop users and is not an
2781 /// identified reduction variable.
2782 static bool hasOutsideLoopUser(const Loop *TheLoop, Instruction *Inst,
2783                                SmallPtrSet<Value *, 4> &Reductions) {
2784   // Reduction instructions are allowed to have exit users. All other
2785   // instructions must not have external users.
2786   if (!Reductions.count(Inst))
2787     //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
2788     for (Value::use_iterator I = Inst->use_begin(), E = Inst->use_end();
2789          I != E; ++I) {
2790       Instruction *U = cast<Instruction>(*I);
2791       // This user may be a reduction exit value.
2792       if (!TheLoop->contains(U)) {
2793         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : "<< *U << "\n");
2794         return true;
2795       }
2796     }
2797   return false;
2798 }
2799
2800 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeInstrs() {
2801   BasicBlock *PreHeader = TheLoop->getLoopPreheader();
2802   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
2803
2804   // Look for the attribute signaling the absence of NaNs.
2805   Function &F = *Header->getParent();
2806   if (F.hasFnAttribute("no-nans-fp-math"))
2807     HasFunNoNaNAttr = F.getAttributes().getAttribute(
2808       AttributeSet::FunctionIndex,
2809       "no-nans-fp-math").getValueAsString() == "true";
2810
2811   // For each block in the loop.
2812   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
2813        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
2814
2815     // Scan the instructions in the block and look for hazards.
2816     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
2817          ++it) {
2818
2819       if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(it)) {
2820         Type *PhiTy = Phi->getType();
2821         // Check that this PHI type is allowed.
2822         if (!PhiTy->isIntegerTy() &&
2823             !PhiTy->isFloatingPointTy() &&
2824             !PhiTy->isPointerTy()) {
2825           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int non-pointer PHI.\n");
2826           return false;
2827         }
2828
2829         // If this PHINode is not in the header block, then we know that we
2830         // can convert it to select during if-conversion. No need to check if
2831         // the PHIs in this block are induction or reduction variables.
2832         if (*bb != Header) {
2833           // Check that this instruction has no outside users or is an
2834           // identified reduction value with an outside user.
2835           if(!hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
2836             continue;
2837           return false;
2838         }
2839
2840         // We only allow if-converted PHIs with more than two incoming values.
2841         if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
2842           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
2843           return false;
2844         }
2845
2846         // This is the value coming from the preheader.
2847         Value *StartValue = Phi->getIncomingValueForBlock(PreHeader);
2848         // Check if this is an induction variable.
2849         InductionKind IK = isInductionVariable(Phi);
2850
2851         if (IK_NoInduction != IK) {
2852           // Get the widest type.
2853           if (!WidestIndTy)
2854             WidestIndTy = convertPointerToIntegerType(*DL, PhiTy);
2855           else
2856             WidestIndTy = getWiderType(*DL, PhiTy, WidestIndTy);
2857
2858           // Int inductions are special because we only allow one IV.
2859           if (IK == IK_IntInduction) {
2860             // Use the phi node with the widest type as induction. Use the last
2861             // one if there are multiple (no good reason for doing this other
2862             // than it is expedient).
2863             if (!Induction || PhiTy == WidestIndTy)
2864               Induction = Phi;
2865           }
2866
2867           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an induction variable.\n");
2868           Inductions[Phi] = InductionInfo(StartValue, IK);
2869
2870           // Until we explicitly handle the case of an induction variable with
2871           // an outside loop user we have to give up vectorizing this loop.
2872           if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
2873             return false;
2874
2875           continue;
2876         }
2877
2878         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAdd)) {
2879           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2880           continue;
2881         }
2882         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMult)) {
2883           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MUL reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2884           continue;
2885         }
2886         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerOr)) {
2887           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an OR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2888           continue;
2889         }
2890         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAnd)) {
2891           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an AND reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2892           continue;
2893         }
2894         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerXor)) {
2895           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a XOR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2896           continue;
2897         }
2898         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMinMax)) {
2899           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2900           continue;
2901         }
2902         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMult)) {
2903           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FMult reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2904           continue;
2905         }
2906         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatAdd)) {
2907           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FAdd reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2908           continue;
2909         }
2910         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMinMax)) {
2911           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an float MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<
2912                 "\n");
2913           continue;
2914         }
2915
2916         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
2917         return false;
2918       }// end of PHI handling
2919
2920       // We still don't handle functions. However, we can ignore dbg intrinsic
2921       // calls and we do handle certain intrinsic and libm functions.
2922       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(it);
2923       if (CI && !getIntrinsicIDForCall(CI, TLI) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(CI)) {
2924         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site.\n");
2925         return false;
2926       }
2927
2928       // Check that the instruction return type is vectorizable.
2929       if (!VectorType::isValidElementType(it->getType()) &&
2930           !it->getType()->isVoidTy()) {
2931         DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type." << "\n");
2932         return false;
2933       }
2934
2935       // Check that the stored type is vectorizable.
2936       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it)) {
2937         Type *T = ST->getValueOperand()->getType();
2938         if (!VectorType::isValidElementType(T))
2939           return false;
2940       }
2941
2942       // Reduction instructions are allowed to have exit users.
2943       // All other instructions must not have external users.
2944       if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
2945         return false;
2946
2947     } // next instr.
2948
2949   }
2950
2951   if (!Induction) {
2952     DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find one integer induction var.\n");
2953     if (Inductions.empty())
2954       return false;
2955   }
2956
2957   return true;
2958 }
2959
2960 void LoopVectorizationLegality::collectLoopUniforms() {
2961   // We now know that the loop is vectorizable!
2962   // Collect variables that will remain uniform after vectorization.
2963   std::vector<Value*> Worklist;
2964   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
2965
2966   // Start with the conditional branch and walk up the block.
2967   Worklist.push_back(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
2968
2969   while (Worklist.size()) {
2970     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.back());
2971     Worklist.pop_back();
2972
2973     // Look at instructions inside this loop.
2974     // Stop when reaching PHI nodes.
2975     // TODO: we need to follow values all over the loop, not only in this block.
2976     if (!I || !TheLoop->contains(I) || isa<PHINode>(I))
2977       continue;
2978
2979     // This is a known uniform.
2980     Uniforms.insert(I);
2981
2982     // Insert all operands.
2983     Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
2984   }
2985 }
2986
2987 namespace {
2988 /// \brief Analyses memory accesses in a loop.
2989 ///
2990 /// Checks whether run time pointer checks are needed and builds sets for data
2991 /// dependence checking.
2992 class AccessAnalysis {
2993 public:
2994   /// \brief Read or write access location.
2995   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
2996   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
2997
2998   /// \brief Set of potential dependent memory accesses.
2999   typedef EquivalenceClasses<MemAccessInfo> DepCandidates;
3000
3001   AccessAnalysis(DataLayout *Dl, DepCandidates &DA) :
3002     DL(Dl), DepCands(DA), AreAllWritesIdentified(true),
3003     AreAllReadsIdentified(true), IsRTCheckNeeded(false) {}
3004
3005   /// \brief Register a load  and whether it is only read from.
3006   void addLoad(Value *Ptr, bool IsReadOnly) {
3007     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, false));
3008     if (IsReadOnly)
3009       ReadOnlyPtr.insert(Ptr);
3010   }
3011
3012   /// \brief Register a store.
3013   void addStore(Value *Ptr) {
3014     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, true));
3015   }
3016
3017   /// \brief Check whether we can check the pointers at runtime for
3018   /// non-intersection.
3019   bool canCheckPtrAtRT(LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
3020                        unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE,
3021                        Loop *TheLoop);
3022
3023   /// \brief Goes over all memory accesses, checks whether a RT check is needed
3024   /// and builds sets of dependent accesses.
3025   void buildDependenceSets() {
3026     // Process read-write pointers first.
3027     processMemAccesses(false);
3028     // Next, process read pointers.
3029     processMemAccesses(true);
3030   }
3031
3032   bool isRTCheckNeeded() { return IsRTCheckNeeded; }
3033
3034   bool isDependencyCheckNeeded() { return !CheckDeps.empty(); }
3035
3036   MemAccessInfoSet &getDependenciesToCheck() { return CheckDeps; }
3037
3038 private:
3039   typedef SetVector<MemAccessInfo> PtrAccessSet;
3040   typedef DenseMap<Value*, MemAccessInfo> UnderlyingObjToAccessMap;
3041
3042   /// \brief Go over all memory access or only the deferred ones if
3043   /// \p UseDeferred is true and check whether runtime pointer checks are needed
3044   /// and build sets of dependency check candidates.
3045   void processMemAccesses(bool UseDeferred);
3046
3047   /// Set of all accesses.
3048   PtrAccessSet Accesses;
3049
3050   /// Set of access to check after all writes have been processed.
3051   PtrAccessSet DeferredAccesses;
3052
3053   /// Map of pointers to last access encountered.
3054   UnderlyingObjToAccessMap ObjToLastAccess;
3055
3056   /// Set of accesses that need a further dependence check.
3057   MemAccessInfoSet CheckDeps;
3058
3059   /// Set of pointers that are read only.
3060   SmallPtrSet<Value*, 16> ReadOnlyPtr;
3061
3062   /// Set of underlying objects already written to.
3063   SmallPtrSet<Value*, 16> WriteObjects;
3064
3065   DataLayout *DL;
3066
3067   /// Sets of potentially dependent accesses - members of one set share an
3068   /// underlying pointer. The set "CheckDeps" identfies which sets really need a
3069   /// dependence check.
3070   DepCandidates &DepCands;
3071
3072   bool AreAllWritesIdentified;
3073   bool AreAllReadsIdentified;
3074   bool IsRTCheckNeeded;
3075 };
3076
3077 } // end anonymous namespace
3078
3079 /// \brief Check whether a pointer can participate in a runtime bounds check.
3080 static bool hasComputableBounds(ScalarEvolution *SE, Value *Ptr) {
3081   const SCEV *PtrScev = SE->getSCEV(Ptr);
3082   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
3083   if (!AR)
3084     return false;
3085
3086   return AR->isAffine();
3087 }
3088
3089 bool AccessAnalysis::canCheckPtrAtRT(
3090                        LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
3091                         unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE,
3092                         Loop *TheLoop) {
3093   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
3094   // to place a runtime bound check.
3095   unsigned NumReadPtrChecks = 0;
3096   unsigned NumWritePtrChecks = 0;
3097   bool CanDoRT = true;
3098
3099   bool IsDepCheckNeeded = isDependencyCheckNeeded();
3100   // We assign consecutive id to access from different dependence sets.
3101   // Accesses within the same set don't need a runtime check.
3102   unsigned RunningDepId = 1;
3103   DenseMap<Value *, unsigned> DepSetId;
3104
3105   for (PtrAccessSet::iterator AI = Accesses.begin(), AE = Accesses.end();
3106        AI != AE; ++AI) {
3107     const MemAccessInfo &Access = *AI;
3108     Value *Ptr = Access.getPointer();
3109     bool IsWrite = Access.getInt();
3110
3111     // Just add write checks if we have both.
3112     if (!IsWrite && Accesses.count(MemAccessInfo(Ptr, true)))
3113       continue;
3114
3115     if (IsWrite)
3116       ++NumWritePtrChecks;
3117     else
3118       ++NumReadPtrChecks;
3119
3120     if (hasComputableBounds(SE, Ptr)) {
3121       // The id of the dependence set.
3122       unsigned DepId;
3123
3124       if (IsDepCheckNeeded) {
3125         Value *Leader = DepCands.getLeaderValue(Access).getPointer();
3126         unsigned &LeaderId = DepSetId[Leader];
3127         if (!LeaderId)
3128           LeaderId = RunningDepId++;
3129         DepId = LeaderId;
3130       } else
3131         // Each access has its own dependence set.
3132         DepId = RunningDepId++;
3133
3134       RtCheck.insert(SE, TheLoop, Ptr, IsWrite, DepId);
3135
3136       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << *Ptr <<"\n");
3137     } else {
3138       CanDoRT = false;
3139     }
3140   }
3141
3142   if (IsDepCheckNeeded && CanDoRT && RunningDepId == 2)
3143     NumComparisons = 0; // Only one dependence set.
3144   else
3145     NumComparisons = (NumWritePtrChecks * (NumReadPtrChecks +
3146                                            NumWritePtrChecks - 1));
3147   return CanDoRT;
3148 }
3149
3150 static bool isFunctionScopeIdentifiedObject(Value *Ptr) {
3151   return isNoAliasArgument(Ptr) || isNoAliasCall(Ptr) || isa<AllocaInst>(Ptr);
3152 }
3153
3154 void AccessAnalysis::processMemAccesses(bool UseDeferred) {
3155   // We process the set twice: first we process read-write pointers, last we
3156   // process read-only pointers. This allows us to skip dependence tests for
3157   // read-only pointers.
3158
3159   PtrAccessSet &S = UseDeferred ? DeferredAccesses : Accesses;
3160   for (PtrAccessSet::iterator AI = S.begin(), AE = S.end(); AI != AE; ++AI) {
3161     const MemAccessInfo &Access = *AI;
3162     Value *Ptr = Access.getPointer();
3163     bool IsWrite = Access.getInt();
3164
3165     DepCands.insert(Access);
3166
3167     // Memorize read-only pointers for later processing and skip them in the
3168     // first round (they need to be checked after we have seen all write
3169     // pointers). Note: we also mark pointer that are not consecutive as
3170     // "read-only" pointers (so that we check "a[b[i]] +="). Hence, we need the
3171     // second check for "!IsWrite".
3172     bool IsReadOnlyPtr = ReadOnlyPtr.count(Ptr) && !IsWrite;
3173     if (!UseDeferred && IsReadOnlyPtr) {
3174       DeferredAccesses.insert(Access);
3175       continue;
3176     }
3177
3178     bool NeedDepCheck = false;
3179     // Check whether there is the possiblity of dependency because of underlying
3180     // objects being the same.
3181     typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
3182     ValueVector TempObjects;
3183     GetUnderlyingObjects(Ptr, TempObjects, DL);
3184     for (ValueVector::iterator UI = TempObjects.begin(), UE = TempObjects.end();
3185          UI != UE; ++UI) {
3186       Value *UnderlyingObj = *UI;
3187
3188       // If this is a write then it needs to be an identified object.  If this a
3189       // read and all writes (so far) are identified function scope objects we
3190       // don't need an identified underlying object but only an Argument (the
3191       // next write is going to invalidate this assumption if it is
3192       // unidentified).
3193       // This is a micro-optimization for the case where all writes are
3194       // identified and we have one argument pointer.
3195       // Otherwise, we do need a runtime check.
3196       if ((IsWrite && !isFunctionScopeIdentifiedObject(UnderlyingObj)) ||
3197           (!IsWrite && (!AreAllWritesIdentified ||
3198                         !isa<Argument>(UnderlyingObj)) &&
3199            !isIdentifiedObject(UnderlyingObj))) {
3200         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified " <<
3201               (IsWrite ?  "write" : "read" ) << " ptr:" << *UnderlyingObj <<
3202               "\n");
3203         IsRTCheckNeeded = (IsRTCheckNeeded ||
3204                            !isIdentifiedObject(UnderlyingObj) ||
3205                            !AreAllReadsIdentified);
3206
3207         if (IsWrite)
3208           AreAllWritesIdentified = false;
3209         if (!IsWrite)
3210           AreAllReadsIdentified = false;
3211       }
3212
3213       // If this is a write - check other reads and writes for conflicts.  If
3214       // this is a read only check other writes for conflicts (but only if there
3215       // is no other write to the ptr - this is an optimization to catch "a[i] =
3216       // a[i] + " without having to do a dependence check).
3217       if ((IsWrite || IsReadOnlyPtr) && WriteObjects.count(UnderlyingObj))
3218         NeedDepCheck = true;
3219
3220       if (IsWrite)
3221         WriteObjects.insert(UnderlyingObj);
3222
3223       // Create sets of pointers connected by shared underlying objects.
3224       UnderlyingObjToAccessMap::iterator Prev =
3225         ObjToLastAccess.find(UnderlyingObj);
3226       if (Prev != ObjToLastAccess.end())
3227         DepCands.unionSets(Access, Prev->second);
3228
3229       ObjToLastAccess[UnderlyingObj] = Access;
3230     }
3231
3232     if (NeedDepCheck)
3233       CheckDeps.insert(Access);
3234   }
3235 }
3236
3237 namespace {
3238 /// \brief Checks memory dependences among accesses to the same underlying
3239 /// object to determine whether there vectorization is legal or not (and at
3240 /// which vectorization factor).
3241 ///
3242 /// This class works under the assumption that we already checked that memory
3243 /// locations with different underlying pointers are "must-not alias".
3244 /// We use the ScalarEvolution framework to symbolically evalutate access
3245 /// functions pairs. Since we currently don't restructure the loop we can rely
3246 /// on the program order of memory accesses to determine their safety.
3247 /// At the moment we will only deem accesses as safe for:
3248 ///  * A negative constant distance assuming program order.
3249 ///
3250 ///      Safe: tmp = a[i + 1];     OR     a[i + 1] = x;
3251 ///            a[i] = tmp;                y = a[i];
3252 ///
3253 ///   The latter case is safe because later checks guarantuee that there can't
3254 ///   be a cycle through a phi node (that is, we check that "x" and "y" is not
3255 ///   the same variable: a header phi can only be an induction or a reduction, a
3256 ///   reduction can't have a memory sink, an induction can't have a memory
3257 ///   source). This is important and must not be violated (or we have to
3258 ///   resort to checking for cycles through memory).
3259 ///
3260 ///  * A positive constant distance assuming program order that is bigger
3261 ///    than the biggest memory access.
3262 ///
3263 ///     tmp = a[i]        OR              b[i] = x
3264 ///     a[i+2] = tmp                      y = b[i+2];
3265 ///
3266 ///     Safe distance: 2 x sizeof(a[0]), and 2 x sizeof(b[0]), respectively.
3267 ///
3268 ///  * Zero distances and all accesses have the same size.
3269 ///
3270 class MemoryDepChecker {
3271 public:
3272   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
3273   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
3274
3275   MemoryDepChecker(ScalarEvolution *Se, DataLayout *Dl, const Loop *L) :
3276     SE(Se), DL(Dl), InnermostLoop(L), AccessIdx(0) {}
3277
3278   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
3279   /// of a write access.
3280   void addAccess(StoreInst *SI) {
3281     Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
3282     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, true)].push_back(AccessIdx);
3283     InstMap.push_back(SI);
3284     ++AccessIdx;
3285   }
3286
3287   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
3288   /// of a write access.
3289   void addAccess(LoadInst *LI) {
3290     Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
3291     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, false)].push_back(AccessIdx);
3292     InstMap.push_back(LI);
3293     ++AccessIdx;
3294   }
3295
3296   /// \brief Check whether the dependencies between the accesses are safe.
3297   ///
3298   /// Only checks sets with elements in \p CheckDeps.
3299   bool areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
3300                    MemAccessInfoSet &CheckDeps);
3301
3302   /// \brief The maximum number of bytes of a vector register we can vectorize
3303   /// the accesses safely with.
3304   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return MaxSafeDepDistBytes; }
3305
3306 private:
3307   ScalarEvolution *SE;
3308   DataLayout *DL;
3309   const Loop *InnermostLoop;
3310
3311   /// \brief Maps access locations (ptr, read/write) to program order.
3312   DenseMap<MemAccessInfo, std::vector<unsigned> > Accesses;
3313
3314   /// \brief Memory access instructions in program order.
3315   SmallVector<Instruction *, 16> InstMap;
3316
3317   /// \brief The program order index to be used for the next instruction.
3318   unsigned AccessIdx;
3319
3320   // We can access this many bytes in parallel safely.
3321   unsigned MaxSafeDepDistBytes;
3322
3323   /// \brief Check whether there is a plausible dependence between the two
3324   /// accesses.
3325   ///
3326   /// Access \p A must happen before \p B in program order. The two indices
3327   /// identify the index into the program order map.
3328   ///
3329   /// This function checks  whether there is a plausible dependence (or the
3330   /// absence of such can't be proved) between the two accesses. If there is a
3331   /// plausible dependence but the dependence distance is bigger than one
3332   /// element access it records this distance in \p MaxSafeDepDistBytes (if this
3333   /// distance is smaller than any other distance encountered so far).
3334   /// Otherwise, this function returns true signaling a possible dependence.
3335   bool isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
3336                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx);
3337
3338   /// \brief Check whether the data dependence could prevent store-load
3339   /// forwarding.
3340   bool couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance, unsigned TypeByteSize);
3341 };
3342
3343 } // end anonymous namespace
3344
3345 static bool isInBoundsGep(Value *Ptr) {
3346   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr))
3347     return GEP->isInBounds();
3348   return false;
3349 }
3350
3351 /// \brief Check whether the access through \p Ptr has a constant stride.
3352 static int isStridedPtr(ScalarEvolution *SE, DataLayout *DL, Value *Ptr,
3353                         const Loop *Lp) {
3354   const Type *Ty = Ptr->getType();
3355   assert(Ty->isPointerTy() && "Unexpected non ptr");
3356
3357   // Make sure that the pointer does not point to aggregate types.
3358   const PointerType *PtrTy = cast<PointerType>(Ty);
3359   if (PtrTy->getElementType()->isAggregateType()) {
3360     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a pointer to a scalar type" << *Ptr <<
3361           "\n");
3362     return 0;
3363   }
3364
3365   const SCEV *PtrScev = SE->getSCEV(Ptr);
3366   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
3367   if (!AR) {
3368     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not an AddRecExpr pointer "
3369           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3370     return 0;
3371   }
3372
3373   // The accesss function must stride over the innermost loop.
3374   if (Lp != AR->getLoop()) {
3375     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not striding over innermost loop " <<
3376           *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3377   }
3378
3379   // The address calculation must not wrap. Otherwise, a dependence could be
3380   // inverted.
3381   // An inbounds getelementptr that is a AddRec with a unit stride
3382   // cannot wrap per definition. The unit stride requirement is checked later.
3383   // An getelementptr without an inbounds attribute and unit stride would have
3384   // to access the pointer value "0" which is undefined behavior in address
3385   // space 0, therefore we can also vectorize this case.
3386   bool IsInBoundsGEP = isInBoundsGep(Ptr);
3387   bool IsNoWrapAddRec = AR->getNoWrapFlags(SCEV::NoWrapMask);
3388   bool IsInAddressSpaceZero = PtrTy->getAddressSpace() == 0;
3389   if (!IsNoWrapAddRec && !IsInBoundsGEP && !IsInAddressSpaceZero) {
3390     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Pointer may wrap in the address space "
3391           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3392     return 0;
3393   }
3394
3395   // Check the step is constant.
3396   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
3397
3398   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
3399   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
3400   if (!C) {
3401     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a constant strided " << *Ptr <<
3402           " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
3403     return 0;
3404   }
3405
3406   int64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
3407   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
3408
3409   // Huge step value - give up.
3410   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
3411     return 0;
3412
3413   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
3414
3415   // Strided access.
3416   int64_t Stride = StepVal / Size;
3417   int64_t Rem = StepVal % Size;
3418   if (Rem)
3419     return 0;
3420
3421   // If the SCEV could wrap but we have an inbounds gep with a unit stride we
3422   // know we can't "wrap around the address space". In case of address space
3423   // zero we know that this won't happen without triggering undefined behavior.
3424   if (!IsNoWrapAddRec && (IsInBoundsGEP || IsInAddressSpaceZero) &&
3425       Stride != 1 && Stride != -1)
3426     return 0;
3427
3428   return Stride;
3429 }
3430
3431 bool MemoryDepChecker::couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance,
3432                                                     unsigned TypeByteSize) {
3433   // If loads occur at a distance that is not a multiple of a feasible vector
3434   // factor store-load forwarding does not take place.
3435   // Positive dependences might cause troubles because vectorizing them might
3436   // prevent store-load forwarding making vectorized code run a lot slower.
3437   //   a[i] = a[i-3] ^ a[i-8];
3438   //   The stores to a[i:i+1] don't align with the stores to a[i-3:i-2] and
3439   //   hence on your typical architecture store-load forwarding does not take
3440   //   place. Vectorizing in such cases does not make sense.
3441   // Store-load forwarding distance.
3442   const unsigned NumCyclesForStoreLoadThroughMemory = 8*TypeByteSize;
3443   // Maximum vector factor.
3444   unsigned MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxVectorWidth*TypeByteSize;
3445   if(MaxSafeDepDistBytes < MaxVFWithoutSLForwardIssues)
3446     MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxSafeDepDistBytes;
3447
3448   for (unsigned vf = 2*TypeByteSize; vf <= MaxVFWithoutSLForwardIssues;
3449        vf *= 2) {
3450     if (Distance % vf && Distance / vf < NumCyclesForStoreLoadThroughMemory) {
3451       MaxVFWithoutSLForwardIssues = (vf >>=1);
3452       break;
3453     }
3454   }
3455
3456   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues< 2*TypeByteSize) {
3457     DEBUG(dbgs() << "LV: Distance " << Distance <<
3458           " that could cause a store-load forwarding conflict\n");
3459     return true;
3460   }
3461
3462   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues < MaxSafeDepDistBytes &&
3463       MaxVFWithoutSLForwardIssues != MaxVectorWidth*TypeByteSize)
3464     MaxSafeDepDistBytes = MaxVFWithoutSLForwardIssues;
3465   return false;
3466 }
3467
3468 bool MemoryDepChecker::isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
3469                                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx) {
3470   assert (AIdx < BIdx && "Must pass arguments in program order");
3471
3472   Value *APtr = A.getPointer();
3473   Value *BPtr = B.getPointer();
3474   bool AIsWrite = A.getInt();
3475   bool BIsWrite = B.getInt();
3476
3477   // Two reads are independent.
3478   if (!AIsWrite && !BIsWrite)
3479     return false;
3480
3481   const SCEV *AScev = SE->getSCEV(APtr);
3482   const SCEV *BScev = SE->getSCEV(BPtr);
3483
3484   int StrideAPtr = isStridedPtr(SE, DL, APtr, InnermostLoop);
3485   int StrideBPtr = isStridedPtr(SE, DL, BPtr, InnermostLoop);
3486
3487   const SCEV *Src = AScev;
3488   const SCEV *Sink = BScev;
3489
3490   // If the induction step is negative we have to invert source and sink of the
3491   // dependence.
3492   if (StrideAPtr < 0) {
3493     //Src = BScev;
3494     //Sink = AScev;
3495     std::swap(APtr, BPtr);
3496     std::swap(Src, Sink);
3497     std::swap(AIsWrite, BIsWrite);
3498     std::swap(AIdx, BIdx);
3499     std::swap(StrideAPtr, StrideBPtr);
3500   }
3501
3502   const SCEV *Dist = SE->getMinusSCEV(Sink, Src);
3503
3504   DEBUG(dbgs() << "LV: Src Scev: " << *Src << "Sink Scev: " << *Sink
3505         << "(Induction step: " << StrideAPtr <<  ")\n");
3506   DEBUG(dbgs() << "LV: Distance for " << *InstMap[AIdx] << " to "
3507         << *InstMap[BIdx] << ": " << *Dist << "\n");
3508
3509   // Need consecutive accesses. We don't want to vectorize
3510   // "A[B[i]] += ..." and similar code or pointer arithmetic that could wrap in
3511   // the address space.
3512   if (!StrideAPtr || !StrideBPtr || StrideAPtr != StrideBPtr){
3513     DEBUG(dbgs() << "Non-consecutive pointer access\n");
3514     return true;
3515   }
3516
3517   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Dist);
3518   if (!C) {
3519     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence because of non constant distance\n");
3520     return true;
3521   }
3522
3523   Type *ATy = APtr->getType()->getPointerElementType();
3524   Type *BTy = BPtr->getType()->getPointerElementType();
3525   unsigned TypeByteSize = DL->getTypeAllocSize(ATy);
3526
3527   // Negative distances are not plausible dependencies.
3528   const APInt &Val = C->getValue()->getValue();
3529   if (Val.isNegative()) {
3530     bool IsTrueDataDependence = (AIsWrite && !BIsWrite);
3531     if (IsTrueDataDependence &&
3532         (couldPreventStoreLoadForward(Val.abs().getZExtValue(), TypeByteSize) ||
3533          ATy != BTy))
3534       return true;
3535
3536     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence is negative: NoDep\n");
3537     return false;
3538   }
3539
3540   // Write to the same location with the same size.
3541   // Could be improved to assert type sizes are the same (i32 == float, etc).
3542   if (Val == 0) {
3543     if (ATy == BTy)
3544       return false;
3545     DEBUG(dbgs() << "LV: Zero dependence difference but different types");
3546     return true;
3547   }
3548
3549   assert(Val.isStrictlyPositive() && "Expect a positive value");
3550
3551   // Positive distance bigger than max vectorization factor.
3552   if (ATy != BTy) {
3553     DEBUG(dbgs() <<
3554           "LV: ReadWrite-Write positive dependency with different types");
3555     return false;
3556   }
3557
3558   unsigned Distance = (unsigned) Val.getZExtValue();
3559
3560   // Bail out early if passed-in parameters make vectorization not feasible.
3561   unsigned ForcedFactor = VectorizationFactor ? VectorizationFactor : 1;
3562   unsigned ForcedUnroll = VectorizationUnroll ? VectorizationUnroll : 1;
3563
3564   // The distance must be bigger than the size needed for a vectorized version
3565   // of the operation and the size of the vectorized operation must not be
3566   // bigger than the currrent maximum size.
3567   if (Distance < 2*TypeByteSize ||
3568       2*TypeByteSize > MaxSafeDepDistBytes ||
3569       Distance < TypeByteSize * ForcedUnroll * ForcedFactor) {
3570     DEBUG(dbgs() << "LV: Failure because of Positive distance "
3571         << Val.getSExtValue() << "\n");
3572     return true;
3573   }
3574
3575   MaxSafeDepDistBytes = Distance < MaxSafeDepDistBytes ?
3576     Distance : MaxSafeDepDistBytes;
3577
3578   bool IsTrueDataDependence = (!AIsWrite && BIsWrite);
3579   if (IsTrueDataDependence &&
3580       couldPreventStoreLoadForward(Distance, TypeByteSize))
3581      return true;
3582
3583   DEBUG(dbgs() << "LV: Positive distance " << Val.getSExtValue() <<
3584         " with max VF=" << MaxSafeDepDistBytes/TypeByteSize << "\n");
3585
3586   return false;
3587 }
3588
3589 bool
3590 MemoryDepChecker::areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
3591                               MemAccessInfoSet &CheckDeps) {
3592
3593   MaxSafeDepDistBytes = -1U;
3594   while (!CheckDeps.empty()) {
3595     MemAccessInfo CurAccess = *CheckDeps.begin();
3596
3597     // Get the relevant memory access set.
3598     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::iterator I =
3599       AccessSets.findValue(AccessSets.getLeaderValue(CurAccess));
3600
3601     // Check accesses within this set.
3602     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator AI, AE;
3603     AI = AccessSets.member_begin(I), AE = AccessSets.member_end();
3604
3605     // Check every access pair.
3606     while (AI != AE) {
3607       CheckDeps.erase(*AI);
3608       EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator OI = llvm::next(AI);
3609       while (OI != AE) {
3610         // Check every accessing instruction pair in program order.
3611         for (std::vector<unsigned>::iterator I1 = Accesses[*AI].begin(),
3612              I1E = Accesses[*AI].end(); I1 != I1E; ++I1)
3613           for (std::vector<unsigned>::iterator I2 = Accesses[*OI].begin(),
3614                I2E = Accesses[*OI].end(); I2 != I2E; ++I2) {
3615             if (*I1 < *I2 && isDependent(*AI, *I1, *OI, *I2))
3616               return false;
3617             if (*I2 < *I1 && isDependent(*OI, *I2, *AI, *I1))
3618               return false;
3619           }
3620         ++OI;
3621       }
3622       AI++;
3623     }
3624   }
3625   return true;
3626 }
3627
3628 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory() {
3629
3630   typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
3631   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
3632
3633   // Holds the Load and Store *instructions*.
3634   ValueVector Loads;
3635   ValueVector Stores;
3636
3637   // Holds all the different accesses in the loop.
3638   unsigned NumReads = 0;
3639   unsigned NumReadWrites = 0;
3640
3641   PtrRtCheck.Pointers.clear();
3642   PtrRtCheck.Need = false;
3643
3644   const bool IsAnnotatedParallel = TheLoop->isAnnotatedParallel();
3645   MemoryDepChecker DepChecker(SE, DL, TheLoop);
3646
3647   // For each block.
3648   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
3649        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
3650
3651     // Scan the BB and collect legal loads and stores.
3652     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
3653          ++it) {
3654
3655       // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
3656       // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
3657       // calls that read or write.
3658       if (it->mayReadFromMemory()) {
3659         // Many math library functions read the rounding mode. We will only
3660         // vectorize a loop if it contains known function calls that don't set
3661         // the flag. Therefore, it is safe to ignore this read from memory.
3662         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(it);
3663         if (Call && getIntrinsicIDForCall(Call, TLI))
3664           continue;
3665
3666         LoadInst *Ld = dyn_cast<LoadInst>(it);
3667         if (!Ld) return false;
3668         if (!Ld->isSimple() && !IsAnnotatedParallel) {
3669           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple load.\n");
3670           return false;
3671         }
3672         Loads.push_back(Ld);
3673         DepChecker.addAccess(Ld);
3674         continue;
3675       }
3676
3677       // Save 'store' instructions. Abort if other instructions write to memory.
3678       if (it->mayWriteToMemory()) {
3679         StoreInst *St = dyn_cast<StoreInst>(it);
3680         if (!St) return false;
3681         if (!St->isSimple() && !IsAnnotatedParallel) {
3682           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple store.\n");
3683           return false;
3684         }
3685         Stores.push_back(St);
3686         DepChecker.addAccess(St);
3687       }
3688     } // next instr.
3689   } // next block.
3690
3691   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
3692   // Next, we find the pointers that they use.
3693
3694   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
3695   // care if the pointers are *restrict*.
3696   if (!Stores.size()) {
3697     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a read-only loop!\n");
3698     return true;
3699   }
3700
3701   AccessAnalysis::DepCandidates DependentAccesses;
3702   AccessAnalysis Accesses(DL, DependentAccesses);
3703
3704   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
3705   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
3706   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
3707   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
3708   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
3709   ValueSet Seen;
3710
3711   ValueVector::iterator I, IE;
3712   for (I = Stores.begin(), IE = Stores.end(); I != IE; ++I) {
3713     StoreInst *ST = cast<StoreInst>(*I);
3714     Value* Ptr = ST->getPointerOperand();
3715
3716     if (isUniform(Ptr)) {
3717       DEBUG(dbgs() << "LV: We don't allow storing to uniform addresses\n");
3718       return false;
3719     }
3720
3721     // If we did *not* see this pointer before, insert it to  the read-write
3722     // list. At this phase it is only a 'write' list.
3723     if (Seen.insert(Ptr)) {
3724       ++NumReadWrites;
3725       Accesses.addStore(Ptr);
3726     }
3727   }
3728
3729   if (IsAnnotatedParallel) {
3730     DEBUG(dbgs()
3731           << "LV: A loop annotated parallel, ignore memory dependency "
3732           << "checks.\n");
3733     return true;
3734   }
3735
3736   SmallPtrSet<Value *, 16> ReadOnlyPtr;
3737   for (I = Loads.begin(), IE = Loads.end(); I != IE; ++I) {
3738     LoadInst *LD = cast<LoadInst>(*I);
3739     Value* Ptr = LD->getPointerOperand();
3740     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
3741     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
3742     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
3743     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
3744     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
3745     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
3746     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
3747     // words may be written to the same address.
3748     bool IsReadOnlyPtr = false;
3749     if (Seen.insert(Ptr) || !isStridedPtr(SE, DL, Ptr, TheLoop)) {
3750       ++NumReads;
3751       IsReadOnlyPtr = true;
3752     }
3753     Accesses.addLoad(Ptr, IsReadOnlyPtr);
3754   }
3755
3756   // If we write (or read-write) to a single destination and there are no
3757   // other reads in this loop then is it safe to vectorize.
3758   if (NumReadWrites == 1 && NumReads == 0) {
3759     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a write-only loop!\n");
3760     return true;
3761   }
3762
3763   // Build dependence sets and check whether we need a runtime pointer bounds
3764   // check.
3765   Accesses.buildDependenceSets();
3766   bool NeedRTCheck = Accesses.isRTCheckNeeded();
3767
3768   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
3769   // to place a runtime bound check.
3770   unsigned NumComparisons = 0;
3771   bool CanDoRT = false;
3772   if (NeedRTCheck)
3773     CanDoRT = Accesses.canCheckPtrAtRT(PtrRtCheck, NumComparisons, SE, TheLoop);
3774
3775
3776   DEBUG(dbgs() << "LV: We need to do " << NumComparisons <<
3777         " pointer comparisons.\n");
3778
3779   // If we only have one set of dependences to check pointers among we don't
3780   // need a runtime check.
3781   if (NumComparisons == 0 && NeedRTCheck)
3782     NeedRTCheck = false;
3783
3784   // Check that we did not collect too many pointers or found a unsizeable
3785   // pointer.
3786   if (!CanDoRT || NumComparisons > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
3787     PtrRtCheck.reset();
3788     CanDoRT = false;
3789   }
3790
3791   if (CanDoRT) {
3792     DEBUG(dbgs() << "LV: We can perform a memory runtime check if needed.\n");
3793   }
3794
3795   if (NeedRTCheck && !CanDoRT) {
3796     DEBUG(dbgs() << "LV: We can't vectorize because we can't find " <<
3797           "the array bounds.\n");
3798     PtrRtCheck.reset();
3799     return false;
3800   }
3801
3802   PtrRtCheck.Need = NeedRTCheck;
3803
3804   bool CanVecMem = true;
3805   if (Accesses.isDependencyCheckNeeded()) {
3806     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking memory dependencies\n");
3807     CanVecMem = DepChecker.areDepsSafe(DependentAccesses,
3808                                        Accesses.getDependenciesToCheck());
3809     MaxSafeDepDistBytes = DepChecker.getMaxSafeDepDistBytes();
3810   }
3811
3812   DEBUG(dbgs() << "LV: We "<< (NeedRTCheck ? "" : "don't") <<
3813         " need a runtime memory check.\n");
3814
3815   return CanVecMem;
3816 }
3817
3818 static bool hasMultipleUsesOf(Instruction *I,
3819                               SmallPtrSet<Instruction *, 8> &Insts) {
3820   unsigned NumUses = 0;
3821   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use) {
3822     if (Insts.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
3823       ++NumUses;
3824     if (NumUses > 1)
3825       return true;
3826   }
3827
3828   return false;
3829 }
3830
3831 static bool areAllUsesIn(Instruction *I, SmallPtrSet<Instruction *, 8> &Set) {
3832   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use)
3833     if (!Set.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
3834       return false;
3835   return true;
3836 }
3837
3838 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
3839                                                 ReductionKind Kind) {
3840   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
3841     return false;
3842
3843   // Reduction variables are only found in the loop header block.
3844   if (Phi->getParent() != TheLoop->getHeader())
3845     return false;
3846
3847   // Obtain the reduction start value from the value that comes from the loop
3848   // preheader.
3849   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValueForBlock(TheLoop->getLoopPreheader());
3850
3851   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
3852   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
3853   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
3854   // which ends in the phi node).
3855   Instruction *ExitInstruction = 0;
3856   // Indicates that we found a reduction operation in our scan.
3857   bool FoundReduxOp = false;
3858
3859   // We start with the PHI node and scan for all of the users of this
3860   // instruction. All users must be instructions that can be used as reduction
3861   // variables (such as ADD). We must have a single out-of-block user. The cycle
3862   // must include the original PHI.
3863   bool FoundStartPHI = false;
3864
3865   // To recognize min/max patterns formed by a icmp select sequence, we store
3866   // the number of instruction we saw from the recognized min/max pattern,
3867   //  to make sure we only see exactly the two instructions.
3868   unsigned NumCmpSelectPatternInst = 0;
3869   ReductionInstDesc ReduxDesc(false, 0);
3870
3871   SmallPtrSet<Instruction *, 8> VisitedInsts;
3872   SmallVector<Instruction *, 8> Worklist;
3873   Worklist.push_back(Phi);
3874   VisitedInsts.insert(Phi);
3875
3876   // A value in the reduction can be used:
3877   //  - By the reduction:
3878   //      - Reduction operation:
3879   //        - One use of reduction value (safe).
3880   //        - Multiple use of reduction value (not safe).
3881   //      - PHI:
3882   //        - All uses of the PHI must be the reduction (safe).
3883   //        - Otherwise, not safe.
3884   //  - By one instruction outside of the loop (safe).
3885   //  - By further instructions outside of the loop (not safe).
3886   //  - By an instruction that is not part of the reduction (not safe).
3887   //    This is either:
3888   //      * An instruction type other than PHI or the reduction operation.
3889   //      * A PHI in the header other than the initial PHI.
3890   while (!Worklist.empty()) {
3891     Instruction *Cur = Worklist.back();
3892     Worklist.pop_back();
3893
3894     // No Users.
3895     // If the instruction has no users then this is a broken chain and can't be
3896     // a reduction variable.
3897     if (Cur->use_empty())
3898       return false;
3899
3900     bool IsAPhi = isa<PHINode>(Cur);
3901
3902     // A header PHI use other than the original PHI.
3903     if (Cur != Phi && IsAPhi && Cur->getParent() == Phi->getParent())
3904       return false;
3905
3906     // Reductions of instructions such as Div, and Sub is only possible if the
3907     // LHS is the reduction variable.
3908     if (!Cur->isCommutative() && !IsAPhi && !isa<SelectInst>(Cur) &&
3909         !isa<ICmpInst>(Cur) && !isa<FCmpInst>(Cur) &&
3910         !VisitedInsts.count(dyn_cast<Instruction>(Cur->getOperand(0))))
3911       return false;
3912
3913     // Any reduction instruction must be of one of the allowed kinds.
3914     ReduxDesc = isReductionInstr(Cur, Kind, ReduxDesc);
3915     if (!ReduxDesc.IsReduction)
3916       return false;
3917
3918     // A reduction operation must only have one use of the reduction value.
3919     if (!IsAPhi && Kind != RK_IntegerMinMax && Kind != RK_FloatMinMax &&
3920         hasMultipleUsesOf(Cur, VisitedInsts))
3921       return false;
3922
3923     // All inputs to a PHI node must be a reduction value.
3924     if(IsAPhi && Cur != Phi && !areAllUsesIn(Cur, VisitedInsts))
3925       return false;
3926
3927     if (Kind == RK_IntegerMinMax && (isa<ICmpInst>(Cur) ||
3928                                      isa<SelectInst>(Cur)))
3929       ++NumCmpSelectPatternInst;
3930     if (Kind == RK_FloatMinMax && (isa<FCmpInst>(Cur) ||
3931                                    isa<SelectInst>(Cur)))
3932       ++NumCmpSelectPatternInst;
3933
3934     // Check  whether we found a reduction operator.
3935     FoundReduxOp |= !IsAPhi;
3936
3937     // Process users of current instruction. Push non PHI nodes after PHI nodes
3938     // onto the stack. This way we are going to have seen all inputs to PHI
3939     // nodes once we get to them.
3940     SmallVector<Instruction *, 8> NonPHIs;
3941     SmallVector<Instruction *, 8> PHIs;
3942     for (Value::use_iterator UI = Cur->use_begin(), E = Cur->use_end(); UI != E;
3943          ++UI) {
3944       Instruction *Usr = cast<Instruction>(*UI);
3945
3946       // Check if we found the exit user.
3947       BasicBlock *Parent = Usr->getParent();
3948       if (!TheLoop->contains(Parent)) {
3949         // Exit if you find multiple outside users or if the header phi node is
3950         // being used. In this case the user uses the value of the previous
3951         // iteration, in which case we would loose "VF-1" iterations of the
3952         // reduction operation if we vectorize.
3953         if (ExitInstruction != 0 || Cur == Phi)
3954           return false;
3955
3956         ExitInstruction = Cur;
3957         continue;
3958       }
3959
3960       // Process instructions only once (termination).
3961       if (VisitedInsts.insert(Usr)) {
3962         if (isa<PHINode>(Usr))
3963           PHIs.push_back(Usr);
3964         else
3965           NonPHIs.push_back(Usr);
3966       }
3967       // Remember that we completed the cycle.
3968       if (Usr == Phi)
3969         FoundStartPHI = true;
3970     }
3971     Worklist.append(PHIs.begin(), PHIs.end());
3972     Worklist.append(NonPHIs.begin(), NonPHIs.end());
3973   }
3974
3975   // This means we have seen one but not the other instruction of the
3976   // pattern or more than just a select and cmp.
3977   if ((Kind == RK_IntegerMinMax || Kind == RK_FloatMinMax) &&
3978       NumCmpSelectPatternInst != 2)
3979     return false;
3980
3981   if (!FoundStartPHI || !FoundReduxOp || !ExitInstruction)
3982     return false;
3983
3984   // We found a reduction var if we have reached the original phi node and we
3985   // only have a single instruction with out-of-loop users.
3986
3987   // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
3988   AllowedExit.insert(ExitInstruction);
3989
3990   // Save the description of this reduction variable.
3991   ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind,
3992                          ReduxDesc.MinMaxKind);
3993   Reductions[Phi] = RD;
3994   // We've ended the cycle. This is a reduction variable if we have an
3995   // outside user and it has a binary op.
3996
3997   return true;
3998 }
3999
4000 /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
4001 /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
4002 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
4003 LoopVectorizationLegality::isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
4004                                                     ReductionInstDesc &Prev) {
4005
4006   assert((isa<ICmpInst>(I) || isa<FCmpInst>(I) || isa<SelectInst>(I)) &&
4007          "Expect a select instruction");
4008   Instruction *Cmp = 0;
4009   SelectInst *Select = 0;
4010
4011   // We must handle the select(cmp()) as a single instruction. Advance to the
4012   // select.
4013   if ((Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I)) || (Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I))) {
4014     if (!Cmp->hasOneUse() || !(Select = dyn_cast<SelectInst>(*I->use_begin())))
4015       return ReductionInstDesc(false, I);
4016     return ReductionInstDesc(Select, Prev.MinMaxKind);
4017   }
4018
4019   // Only handle single use cases for now.
4020   if (!(Select = dyn_cast<SelectInst>(I)))
4021     return ReductionInstDesc(false, I);
4022   if (!(Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I->getOperand(0))) &&
4023       !(Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I->getOperand(0))))
4024     return ReductionInstDesc(false, I);
4025   if (!Cmp->hasOneUse())
4026     return ReductionInstDesc(false, I);
4027
4028   Value *CmpLeft;
4029   Value *CmpRight;
4030
4031   // Look for a min/max pattern.
4032   if (m_UMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4033     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMin);
4034   else if (m_UMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4035     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMax);
4036   else if (m_SMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4037     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMax);
4038   else if (m_SMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4039     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMin);
4040   else if (m_OrdFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4041     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
4042   else if (m_OrdFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4043     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
4044   else if (m_UnordFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4045     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
4046   else if (m_UnordFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4047     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
4048
4049   return ReductionInstDesc(false, I);
4050 }
4051
4052 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
4053 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
4054                                             ReductionKind Kind,
4055                                             ReductionInstDesc &Prev) {
4056   bool FP = I->getType()->isFloatingPointTy();
4057   bool FastMath = (FP && I->isCommutative() && I->isAssociative());
4058   switch (I->getOpcode()) {
4059   default:
4060     return ReductionInstDesc(false, I);
4061   case Instruction::PHI:
4062       if (FP && (Kind != RK_FloatMult && Kind != RK_FloatAdd &&
4063                  Kind != RK_FloatMinMax))
4064         return ReductionInstDesc(false, I);
4065     return ReductionInstDesc(I, Prev.MinMaxKind);
4066   case Instruction::Sub:
4067   case Instruction::Add:
4068     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAdd, I);
4069   case Instruction::Mul:
4070     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerMult, I);
4071   case Instruction::And:
4072     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAnd, I);
4073   case Instruction::Or:
4074     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerOr, I);
4075   case Instruction::Xor:
4076     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerXor, I);
4077   case Instruction::FMul:
4078     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatMult && FastMath, I);
4079   case Instruction::FAdd:
4080     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatAdd && FastMath, I);
4081   case Instruction::FCmp:
4082   case Instruction::ICmp:
4083   case Instruction::Select:
4084     if (Kind != RK_IntegerMinMax &&
4085         (!HasFunNoNaNAttr || Kind != RK_FloatMinMax))
4086       return ReductionInstDesc(false, I);
4087     return isMinMaxSelectCmpPattern(I, Prev);
4088   }
4089 }
4090
4091 LoopVectorizationLegality::InductionKind
4092 LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi) {
4093   Type *PhiTy = Phi->getType();
4094   // We only handle integer and pointer inductions variables.
4095   if (!PhiTy->isIntegerTy() && !PhiTy->isPointerTy())
4096     return IK_NoInduction;
4097
4098   // Check that the PHI is consecutive.
4099   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
4100   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
4101   if (!AR) {
4102     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
4103     return IK_NoInduction;
4104   }
4105   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
4106
4107   // Integer inductions need to have a stride of one.
4108   if (PhiTy->isIntegerTy()) {
4109     if (Step->isOne())
4110       return IK_IntInduction;
4111     if (Step->isAllOnesValue())
4112       return IK_ReverseIntInduction;
4113     return IK_NoInduction;
4114   }
4115
4116   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4117   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4118   if (!C)
4119     return IK_NoInduction;
4120
4121   assert(PhiTy->isPointerTy() && "The PHI must be a pointer");
4122   uint64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PhiTy->getPointerElementType());
4123   if (C->getValue()->equalsInt(Size))
4124     return IK_PtrInduction;
4125   else if (C->getValue()->equalsInt(0 - Size))
4126     return IK_ReversePtrInduction;
4127
4128   return IK_NoInduction;
4129 }
4130
4131 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(const Value *V) {
4132   Value *In0 = const_cast<Value*>(V);
4133   PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(In0);
4134   if (!PN)
4135     return false;
4136
4137   return Inductions.count(PN);
4138 }
4139
4140 bool LoopVectorizationLegality::blockNeedsPredication(BasicBlock *BB)  {
4141   assert(TheLoop->contains(BB) && "Unknown block used");
4142
4143   // Blocks that do not dominate the latch need predication.
4144   BasicBlock* Latch = TheLoop->getLoopLatch();
4145   return !DT->dominates(BB, Latch);
4146 }
4147
4148 bool LoopVectorizationLegality::blockCanBePredicated(BasicBlock *BB,
4149                                             SmallPtrSet<Value *, 8>& SafePtrs) {
4150   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4151     // We might be able to hoist the load.
4152     if (it->mayReadFromMemory()) {
4153       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it);
4154       if (!LI || !SafePtrs.count(LI->getPointerOperand()))
4155         return false;
4156     }
4157
4158     // We don't predicate stores at the moment.
4159     if (it->mayWriteToMemory() || it->mayThrow())
4160       return false;
4161
4162     // The instructions below can trap.
4163     switch (it->getOpcode()) {
4164     default: continue;
4165     case Instruction::UDiv:
4166     case Instruction::SDiv:
4167     case Instruction::URem:
4168     case Instruction::SRem:
4169              return false;
4170     }
4171   }
4172
4173   return true;
4174 }
4175
4176 LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor
4177 LoopVectorizationCostModel::selectVectorizationFactor(bool OptForSize,
4178                                                       unsigned UserVF) {
4179   // Width 1 means no vectorize
4180   VectorizationFactor Factor = { 1U, 0U };
4181   if (OptForSize && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need) {
4182     DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. Runtime ptr check is required in Os.\n");
4183     return Factor;
4184   }
4185
4186   // Find the trip count.
4187   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop, TheLoop->getLoopLatch());
4188   DEBUG(dbgs() << "LV: Found trip count:"<<TC<<"\n");
4189
4190   unsigned WidestType = getWidestType();
4191   unsigned WidestRegister = TTI.getRegisterBitWidth(true);
4192   unsigned MaxSafeDepDist = -1U;
4193   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
4194     MaxSafeDepDist = Legal->getMaxSafeDepDistBytes() * 8;
4195   WidestRegister = ((WidestRegister < MaxSafeDepDist) ?
4196                     WidestRegister : MaxSafeDepDist);
4197   unsigned MaxVectorSize = WidestRegister / WidestType;
4198   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest type: " << WidestType << " bits.\n");
4199   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest register is:" << WidestRegister << "bits.\n");
4200
4201   if (MaxVectorSize == 0) {
4202     DEBUG(dbgs() << "LV: The target has no vector registers.\n");
4203     MaxVectorSize = 1;
4204   }
4205
4206   assert(MaxVectorSize <= 32 && "Did not expect to pack so many elements"
4207          " into one vector!");
4208
4209   unsigned VF = MaxVectorSize;
4210
4211   // If we optimize the program for size, avoid creating the tail loop.
4212   if (OptForSize) {
4213     // If we are unable to calculate the trip count then don't try to vectorize.
4214     if (TC < 2) {
4215       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
4216       return Factor;
4217     }
4218
4219     // Find the maximum SIMD width that can fit within the trip count.
4220     VF = TC % MaxVectorSize;
4221
4222     if (VF == 0)
4223       VF = MaxVectorSize;
4224
4225     // If the trip count that we found modulo the vectorization factor is not
4226     // zero then we require a tail.
4227     if (VF < 2) {
4228       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
4229       return Factor;
4230     }
4231   }
4232
4233   if (UserVF != 0) {
4234     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
4235     DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF "<<UserVF<<".\n");
4236
4237     Factor.Width = UserVF;
4238     return Factor;
4239   }
4240
4241   float Cost = expectedCost(1);
4242   unsigned Width = 1;
4243   DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: "<< (int)Cost << ".\n");
4244   for (unsigned i=2; i <= VF; i*=2) {
4245     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
4246     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
4247     // the vector elements.
4248     float VectorCost = expectedCost(i) / (float)i;
4249     DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width "<< i << " costs: " <<
4250           (int)VectorCost << ".\n");
4251     if (VectorCost < Cost) {
4252       Cost = VectorCost;
4253       Width = i;
4254     }
4255   }
4256
4257   DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF = : "<< Width << ".\n");
4258   Factor.Width = Width;
4259   Factor.Cost = Width * Cost;
4260   return Factor;
4261 }
4262
4263 unsigned LoopVectorizationCostModel::getWidestType() {
4264   unsigned MaxWidth = 8;
4265
4266   // For each block.
4267   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4268        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4269     BasicBlock *BB = *bb;
4270
4271     // For each instruction in the loop.
4272     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4273       Type *T = it->getType();
4274
4275       // Only examine Loads, Stores and PHINodes.
4276       if (!isa<LoadInst>(it) && !isa<StoreInst>(it) && !isa<PHINode>(it))
4277         continue;
4278
4279       // Examine PHI nodes that are reduction variables.
4280       if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(it))
4281         if (!Legal->getReductionVars()->count(PN))
4282           continue;
4283
4284       // Examine the stored values.
4285       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it))
4286         T = ST->getValueOperand()->getType();
4287
4288       // Ignore loaded pointer types and stored pointer types that are not
4289       // consecutive. However, we do want to take consecutive stores/loads of
4290       // pointer vectors into account.
4291       if (T->isPointerTy() && !isConsecutiveLoadOrStore(it))
4292         continue;
4293
4294       MaxWidth = std::max(MaxWidth,
4295                           (unsigned)DL->getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
4296     }
4297   }
4298
4299   return MaxWidth;
4300 }
4301
4302 unsigned
4303 LoopVectorizationCostModel::selectUnrollFactor(bool OptForSize,
4304                                                unsigned UserUF,
4305                                                unsigned VF,
4306                                                unsigned LoopCost) {
4307
4308   // -- The unroll heuristics --
4309   // We unroll the loop in order to expose ILP and reduce the loop overhead.
4310   // There are many micro-architectural considerations that we can't predict
4311   // at this level. For example frontend pressure (on decode or fetch) due to
4312   // code size, or the number and capabilities of the execution ports.
4313   //
4314   // We use the following heuristics to select the unroll factor:
4315   // 1. If the code has reductions the we unroll in order to break the cross
4316   // iteration dependency.
4317   // 2. If the loop is really small then we unroll in order to reduce the loop
4318   // overhead.
4319   // 3. We don't unroll if we think that we will spill registers to memory due
4320   // to the increased register pressure.
4321
4322   // Use the user preference, unless 'auto' is selected.
4323   if (UserUF != 0)
4324     return UserUF;
4325
4326   // When we optimize for size we don't unroll.
4327   if (OptForSize)
4328     return 1;
4329
4330   // We used the distance for the unroll factor.
4331   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
4332     return 1;
4333
4334   // Do not unroll loops with a relatively small trip count.
4335   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop,
4336                                               TheLoop->getLoopLatch());
4337   if (TC > 1 && TC < TinyTripCountUnrollThreshold)
4338     return 1;
4339
4340   unsigned TargetVectorRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(true);
4341   DEBUG(dbgs() << "LV: The target has " << TargetVectorRegisters <<
4342         " vector registers\n");
4343
4344   LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage R = calculateRegisterUsage();
4345   // We divide by these constants so assume that we have at least one
4346   // instruction that uses at least one register.
4347   R.MaxLocalUsers = std::max(R.MaxLocalUsers, 1U);
4348   R.NumInstructions = std::max(R.NumInstructions, 1U);
4349
4350   // We calculate the unroll factor using the following formula.
4351   // Subtract the number of loop invariants from the number of available
4352   // registers. These registers are used by all of the unrolled instances.
4353   // Next, divide the remaining registers by the number of registers that is
4354   // required by the loop, in order to estimate how many parallel instances
4355   // fit without causing spills.
4356   unsigned UF = (TargetVectorRegisters - R.LoopInvariantRegs) / R.MaxLocalUsers;
4357
4358   // Clamp the unroll factor ranges to reasonable factors.
4359   unsigned MaxUnrollSize = TTI.getMaximumUnrollFactor();
4360
4361   // If we did not calculate the cost for VF (because the user selected the VF)
4362   // then we calculate the cost of VF here.
4363   if (LoopCost == 0)
4364     LoopCost = expectedCost(VF);
4365
4366   // Clamp the calculated UF to be between the 1 and the max unroll factor
4367   // that the target allows.
4368   if (UF > MaxUnrollSize)
4369     UF = MaxUnrollSize;
4370   else if (UF < 1)
4371     UF = 1;
4372
4373   bool HasReductions = Legal->getReductionVars()->size();
4374
4375   // Decide if we want to unroll if we decided that it is legal to vectorize
4376   // but not profitable.
4377   if (VF == 1) {
4378     if (TheLoop->getNumBlocks() > 1 || !HasReductions ||
4379         LoopCost > SmallLoopCost)
4380       return 1;
4381
4382     return UF;
4383   }
4384
4385   if (HasReductions) {
4386     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling because of reductions. \n");
4387     return UF;
4388   }
4389
4390   // We want to unroll tiny loops in order to reduce the loop overhead.
4391   // We assume that the cost overhead is 1 and we use the cost model
4392   // to estimate the cost of the loop and unroll until the cost of the
4393   // loop overhead is about 5% of the cost of the loop.
4394   DEBUG(dbgs() << "LV: Loop cost is "<< LoopCost <<" \n");
4395   if (LoopCost < SmallLoopCost) {
4396     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to reduce branch cost. \n");
4397     unsigned NewUF = SmallLoopCost / (LoopCost + 1);
4398     return std::min(NewUF, UF);
4399   }
4400
4401   DEBUG(dbgs() << "LV: Not Unrolling. \n");
4402   return 1;
4403 }
4404
4405 LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage
4406 LoopVectorizationCostModel::calculateRegisterUsage() {
4407   // This function calculates the register usage by measuring the highest number
4408   // of values that are alive at a single location. Obviously, this is a very
4409   // rough estimation. We scan the loop in a topological order in order and
4410   // assign a number to each instruction. We use RPO to ensure that defs are
4411   // met before their users. We assume that each instruction that has in-loop
4412   // users starts an interval. We record every time that an in-loop value is
4413   // used, so we have a list of the first and last occurrences of each
4414   // instruction. Next, we transpose this data structure into a multi map that
4415   // holds the list of intervals that *end* at a specific location. This multi
4416   // map allows us to perform a linear search. We scan the instructions linearly
4417   // and record each time that a new interval starts, by placing it in a set.
4418   // If we find this value in the multi-map then we remove it from the set.
4419   // The max register usage is the maximum size of the set.
4420   // We also search for instructions that are defined outside the loop, but are
4421   // used inside the loop. We need this number separately from the max-interval
4422   // usage number because when we unroll, loop-invariant values do not take
4423   // more register.
4424   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
4425   DFS.perform(LI);
4426
4427   RegisterUsage R;
4428   R.NumInstructions = 0;
4429
4430   // Each 'key' in the map opens a new interval. The values
4431   // of the map are the index of the 'last seen' usage of the
4432   // instruction that is the key.
4433   typedef DenseMap<Instruction*, unsigned> IntervalMap;
4434   // Maps instruction to its index.
4435   DenseMap<unsigned, Instruction*> IdxToInstr;
4436   // Marks the end of each interval.
4437   IntervalMap EndPoint;
4438   // Saves the list of instruction indices that are used in the loop.
4439   SmallSet<Instruction*, 8> Ends;
4440   // Saves the list of values that are used in the loop but are
4441   // defined outside the loop, such as arguments and constants.
4442   SmallPtrSet<Value*, 8> LoopInvariants;
4443
4444   unsigned Index = 0;
4445   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
4446        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb) {
4447     R.NumInstructions += (*bb)->size();
4448     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
4449          ++it) {
4450       Instruction *I = it;
4451       IdxToInstr[Index++] = I;
4452
4453       // Save the end location of each USE.
4454       for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); ++i) {
4455         Value *U = I->getOperand(i);
4456         Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(U);
4457
4458         // Ignore non-instruction values such as arguments, constants, etc.
4459         if (!Instr) continue;
4460
4461         // If this instruction is outside the loop then record it and continue.
4462         if (!TheLoop->contains(Instr)) {
4463           LoopInvariants.insert(Instr);
4464           continue;
4465         }
4466
4467         // Overwrite previous end points.
4468         EndPoint[Instr] = Index;
4469         Ends.insert(Instr);
4470       }
4471     }
4472   }
4473
4474   // Saves the list of intervals that end with the index in 'key'.
4475   typedef SmallVector<Instruction*, 2> InstrList;
4476   DenseMap<unsigned, InstrList> TransposeEnds;
4477
4478   // Transpose the EndPoints to a list of values that end at each index.
4479   for (IntervalMap::iterator it = EndPoint.begin(), e = EndPoint.end();
4480        it != e; ++it)
4481     TransposeEnds[it->second].push_back(it->first);
4482
4483   SmallSet<Instruction*, 8> OpenIntervals;
4484   unsigned MaxUsage = 0;
4485
4486
4487   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Calculating max register usage:\n");
4488   for (unsigned int i = 0; i < Index; ++i) {
4489     Instruction *I = IdxToInstr[i];
4490     // Ignore instructions that are never used within the loop.
4491     if (!Ends.count(I)) continue;
4492
4493     // Remove all of the instructions that end at this location.
4494     InstrList &List = TransposeEnds[i];
4495     for (unsigned int j=0, e = List.size(); j < e; ++j)
4496       OpenIntervals.erase(List[j]);
4497
4498     // Count the number of live interals.
4499     MaxUsage = std::max(MaxUsage, OpenIntervals.size());
4500
4501     DEBUG(dbgs() << "LV(REG): At #" << i << " Interval # " <<
4502           OpenIntervals.size() <<"\n");
4503
4504     // Add the current instruction to the list of open intervals.
4505     OpenIntervals.insert(I);
4506   }
4507
4508   unsigned Invariant = LoopInvariants.size();
4509   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found max usage: " << MaxUsage << " \n");
4510   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found invariant usage: " << Invariant << " \n");
4511   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): LoopSize: " << R.NumInstructions << " \n");
4512
4513   R.LoopInvariantRegs = Invariant;
4514   R.MaxLocalUsers = MaxUsage;
4515   return R;
4516 }
4517
4518 unsigned LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
4519   unsigned Cost = 0;
4520
4521   // For each block.
4522   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4523        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4524     unsigned BlockCost = 0;
4525     BasicBlock *BB = *bb;
4526
4527     // For each instruction in the old loop.
4528     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4529       // Skip dbg intrinsics.
4530       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
4531         continue;
4532
4533       unsigned C = getInstructionCost(it, VF);
4534       BlockCost += C;
4535       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of "<< C <<" for VF " <<
4536             VF << " For instruction: "<< *it << "\n");
4537     }
4538
4539     // We assume that if-converted blocks have a 50% chance of being executed.
4540     // When the code is scalar then some of the blocks are avoided due to CF.
4541     // When the code is vectorized we execute all code paths.
4542     if (VF == 1 && Legal->blockNeedsPredication(*bb))
4543       BlockCost /= 2;
4544
4545     Cost += BlockCost;
4546   }
4547
4548   return Cost;
4549 }
4550
4551 /// \brief Check whether the address computation for a non-consecutive memory
4552 /// access looks like an unlikely candidate for being merged into the indexing
4553 /// mode.
4554 ///
4555 /// We look for a GEP which has one index that is an induction variable and all
4556 /// other indices are loop invariant. If the stride of this access is also
4557 /// within a small bound we decide that this address computation can likely be
4558 /// merged into the addressing mode.
4559 /// In all other cases, we identify the address computation as complex.
4560 static bool isLikelyComplexAddressComputation(Value *Ptr,
4561                                               LoopVectorizationLegality *Legal,
4562                                               ScalarEvolution *SE,
4563                                               const Loop *TheLoop) {
4564   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
4565   if (!Gep)
4566     return true;
4567
4568   // We are looking for a gep with all loop invariant indices except for one
4569   // which should be an induction variable.
4570   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
4571   for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i) {
4572     Value *Opd = Gep->getOperand(i);
4573     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Opd), TheLoop) &&
4574         !Legal->isInductionVariable(Opd))
4575       return true;
4576   }
4577
4578   // Now we know we have a GEP ptr, %inv, %ind, %inv. Make sure that the step
4579   // can likely be merged into the address computation.
4580   unsigned MaxMergeDistance = 64;
4581
4582   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Ptr));
4583   if (!AddRec)
4584     return true;
4585
4586   // Check the step is constant.
4587   const SCEV *Step = AddRec->getStepRecurrence(*SE);
4588   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4589   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4590   if (!C)
4591     return true;
4592
4593   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
4594
4595   // Huge step value - give up.
4596   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
4597     return true;
4598
4599   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
4600
4601   return StepVal > MaxMergeDistance;
4602 }
4603
4604 unsigned
4605 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
4606   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
4607   // the scalar version.
4608   if (Legal->isUniformAfterVectorization(I))
4609     VF = 1;
4610
4611   Type *RetTy = I->getType();
4612   Type *VectorTy = ToVectorTy(RetTy, VF);
4613
4614   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
4615   switch (I->getOpcode()) {
4616   case Instruction::GetElementPtr:
4617     // We mark this instruction as zero-cost because the cost of GEPs in
4618     // vectorized code depends on whether the corresponding memory instruction
4619     // is scalarized or not. Therefore, we handle GEPs with the memory
4620     // instruction cost.
4621     return 0;
4622   case Instruction::Br: {
4623     return TTI.getCFInstrCost(I->getOpcode());
4624   }
4625   case Instruction::PHI:
4626     //TODO: IF-converted IFs become selects.
4627     return 0;
4628   case Instruction::Add:
4629   case Instruction::FAdd:
4630   case Instruction::Sub:
4631   case Instruction::FSub:
4632   case Instruction::Mul:
4633   case Instruction::FMul:
4634   case Instruction::UDiv:
4635   case Instruction::SDiv:
4636   case Instruction::FDiv:
4637   case Instruction::URem:
4638   case Instruction::SRem:
4639   case Instruction::FRem:
4640   case Instruction::Shl:
4641   case Instruction::LShr:
4642   case Instruction::AShr:
4643   case Instruction::And:
4644   case Instruction::Or:
4645   case Instruction::Xor: {
4646     // Certain instructions can be cheaper to vectorize if they have a constant
4647     // second vector operand. One example of this are shifts on x86.
4648     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op1VK =
4649       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
4650     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op2VK =
4651       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
4652
4653     if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
4654       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
4655
4656     return TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, Op1VK, Op2VK);
4657   }
4658   case Instruction::Select: {
4659     SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
4660     const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
4661     bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
4662     Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
4663     if (!ScalarCond)
4664       CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
4665
4666     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy);
4667   }
4668   case Instruction::ICmp:
4669   case Instruction::FCmp: {
4670     Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
4671     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
4672     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
4673   }
4674   case Instruction::Store:
4675   case Instruction::Load: {
4676     StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
4677     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I);
4678     Type *ValTy = (SI ? SI->getValueOperand()->getType() :
4679                    LI->getType());
4680     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
4681
4682     unsigned Alignment = SI ? SI->getAlignment() : LI->getAlignment();
4683     unsigned AS = SI ? SI->getPointerAddressSpace() :
4684       LI->getPointerAddressSpace();
4685     Value *Ptr = SI ? SI->getPointerOperand() : LI->getPointerOperand();
4686     // We add the cost of address computation here instead of with the gep
4687     // instruction because only here we know whether the operation is
4688     // scalarized.
4689     if (VF == 1)
4690       return TTI.getAddressComputationCost(VectorTy) +
4691         TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
4692
4693     // Scalarized loads/stores.
4694     int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
4695     bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
4696     unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ValTy);
4697     unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(VectorTy)/VF;
4698     if (!ConsecutiveStride || ScalarAllocatedSize != VectorElementSize) {
4699       bool IsComplexComputation =
4700         isLikelyComplexAddressComputation(Ptr, Legal, SE, TheLoop);
4701       unsigned Cost = 0;
4702       // The cost of extracting from the value vector and pointer vector.
4703       Type *PtrTy = ToVectorTy(Ptr->getType(), VF);
4704       for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
4705         //  The cost of extracting the pointer operand.
4706         Cost += TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement, PtrTy, i);
4707         // In case of STORE, the cost of ExtractElement from the vector.
4708         // In case of LOAD, the cost of InsertElement into the returned
4709         // vector.
4710         Cost += TTI.getVectorInstrCost(SI ? Instruction::ExtractElement :
4711                                             Instruction::InsertElement,
4712                                             VectorTy, i);
4713       }
4714
4715       // The cost of the scalar loads/stores.
4716       Cost += VF * TTI.getAddressComputationCost(PtrTy, IsComplexComputation);
4717       Cost += VF * TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy->getScalarType(),
4718                                        Alignment, AS);
4719       return Cost;
4720     }
4721
4722     // Wide load/stores.
4723     unsigned Cost = TTI.getAddressComputationCost(VectorTy);
4724     Cost += TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
4725
4726     if (Reverse)
4727       Cost += TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse,
4728                                   VectorTy, 0);
4729     return Cost;
4730   }
4731   case Instruction::ZExt:
4732   case Instruction::SExt:
4733   case Instruction::FPToUI:
4734   case Instruction::FPToSI:
4735   case Instruction::FPExt:
4736   case Instruction::PtrToInt:
4737   case Instruction::IntToPtr:
4738   case Instruction::SIToFP:
4739   case Instruction::UIToFP:
4740   case Instruction::Trunc:
4741   case Instruction::FPTrunc:
4742   case Instruction::BitCast: {
4743     // We optimize the truncation of induction variable.
4744     // The cost of these is the same as the scalar operation.
4745     if (I->getOpcode() == Instruction::Trunc &&
4746         Legal->isInductionVariable(I->getOperand(0)))
4747       return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), I->getType(),
4748                                   I->getOperand(0)->getType());
4749
4750     Type *SrcVecTy = ToVectorTy(I->getOperand(0)->getType(), VF);
4751     return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy);
4752   }
4753   case Instruction::Call: {
4754     CallInst *CI = cast<CallInst>(I);
4755     Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
4756     assert(ID && "Not an intrinsic call!");
4757     Type *RetTy = ToVectorTy(CI->getType(), VF);
4758     SmallVector<Type*, 4> Tys;
4759     for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i)
4760       Tys.push_back(ToVectorTy(CI->getArgOperand(i)->getType(), VF));
4761     return TTI.getIntrinsicInstrCost(ID, RetTy, Tys);
4762   }
4763   default: {
4764     // We are scalarizing the instruction. Return the cost of the scalar
4765     // instruction, plus the cost of insert and extract into vector
4766     // elements, times the vector width.
4767     unsigned Cost = 0;
4768
4769     if (!RetTy->isVoidTy() && VF != 1) {
4770       unsigned InsCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::InsertElement,
4771                                                 VectorTy);
4772       unsigned ExtCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement,
4773                                                 VectorTy);
4774
4775       // The cost of inserting the results plus extracting each one of the
4776       // operands.
4777       Cost += VF * (InsCost + ExtCost * I->getNumOperands());
4778     }
4779
4780     // The cost of executing VF copies of the scalar instruction. This opcode
4781     // is unknown. Assume that it is the same as 'mul'.
4782     Cost += VF * TTI.getArithmeticInstrCost(Instruction::Mul, VectorTy);
4783     return Cost;
4784   }
4785   }// end of switch.
4786 }
4787
4788 Type* LoopVectorizationCostModel::ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
4789   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
4790     return Scalar;
4791   return VectorType::get(Scalar, VF);
4792 }
4793
4794 char LoopVectorize::ID = 0;
4795 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
4796 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
4797 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
4798 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
4799 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
4800 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
4801
4802 namespace llvm {
4803   Pass *createLoopVectorizePass(bool NoUnrolling) {
4804     return new LoopVectorize(NoUnrolling);
4805   }
4806 }
4807
4808 bool LoopVectorizationCostModel::isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *Inst) {
4809   // Check for a store.
4810   if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
4811     return Legal->isConsecutivePtr(ST->getPointerOperand()) != 0;
4812
4813   // Check for a load.
4814   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
4815     return Legal->isConsecutivePtr(LI->getPointerOperand()) != 0;
4816
4817   return false;
4818 }
4819
4820
4821 void InnerLoopUnroller::scalarizeInstruction(Instruction *Instr) {
4822   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
4823   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
4824   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
4825
4826   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
4827
4828   // Find all of the vectorized parameters.
4829   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
4830     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
4831
4832     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
4833     if (SrcOp == OldInduction) {
4834       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
4835       continue;
4836     }
4837
4838     // Try using previously calculated values.
4839     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
4840
4841     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
4842     // then it should already be vectorized.
4843     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
4844       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
4845       // The parameter is a vector value from earlier.
4846       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
4847     } else {
4848       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
4849       VectorParts Scalars;
4850       Scalars.append(UF, SrcOp);
4851       Params.push_back(Scalars);
4852     }
4853   }
4854
4855   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
4856          "Invalid number of operands");
4857
4858   // Does this instruction return a value ?
4859   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
4860
4861   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? 0 :
4862   UndefValue::get(Instr->getType());
4863   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
4864   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
4865
4866   // For each vector unroll 'part':
4867   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
4868     // For each scalar that we create:
4869
4870     Instruction *Cloned = Instr->clone();
4871       if (!IsVoidRetTy)
4872         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
4873       // Replace the operands of the cloned instrucions with extracted scalars.
4874       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
4875         Value *Op = Params[op][Part];
4876         Cloned->setOperand(op, Op);
4877       }
4878
4879       // Place the cloned scalar in the new loop.
4880       Builder.Insert(Cloned);
4881
4882       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
4883       // so that future users will be able to use it.
4884       if (!IsVoidRetTy)
4885         VecResults[Part] = Cloned;
4886   }
4887 }
4888
4889 void
4890 InnerLoopUnroller::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
4891                                               LoopVectorizationLegality*) {
4892   return scalarizeInstruction(Instr);
4893 }
4894
4895 Value *InnerLoopUnroller::reverseVector(Value *Vec) {
4896   return Vec;
4897 }
4898
4899 Value *InnerLoopUnroller::getBroadcastInstrs(Value *V) {
4900   return V;
4901 }
4902
4903 Value *InnerLoopUnroller::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
4904                                                bool Negate) {
4905   // When unrolling and the VF is 1, we only need to add a simple scalar.
4906   Type *ITy = Val->getType();
4907   assert(!ITy->isVectorTy() && "Val must be a scalar");
4908   Constant *C = ConstantInt::get(ITy, StartIdx, Negate);
4909   return Builder.CreateAdd(Val, C, "induction");
4910 }
4911