Fix a -Wdocumentation warning
[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. Legalization of the IR is done
12 // in the codegen. However, the vectorizer uses (will use) the codegen
13 // interfaces to generate IR that is likely to result in an optimal binary.
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/MapVector.h"
51 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
52 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
53 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
54 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
55 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
56 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
57 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
58 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
59 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
60 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
61 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
62 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
65 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
66 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
67 #include "llvm/IR/Constants.h"
68 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
69 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
70 #include "llvm/IR/Function.h"
71 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
72 #include "llvm/IR/Instructions.h"
73 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
74 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
75 #include "llvm/IR/Module.h"
76 #include "llvm/IR/Type.h"
77 #include "llvm/IR/Value.h"
78 #include "llvm/Pass.h"
79 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
80 #include "llvm/Support/Debug.h"
81 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
82 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
83 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
84 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
85 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
86 #include <algorithm>
87 #include <map>
88
89 using namespace llvm;
90
91 static cl::opt<unsigned>
92 VectorizationFactor("force-vector-width", cl::init(0), cl::Hidden,
93                     cl::desc("Sets the SIMD width. Zero is autoselect."));
94
95 static cl::opt<unsigned>
96 VectorizationUnroll("force-vector-unroll", cl::init(0), cl::Hidden,
97                     cl::desc("Sets the vectorization unroll count. "
98                              "Zero is autoselect."));
99
100 static cl::opt<bool>
101 EnableIfConversion("enable-if-conversion", cl::init(true), cl::Hidden,
102                    cl::desc("Enable if-conversion during vectorization."));
103
104 /// We don't vectorize loops with a known constant trip count below this number.
105 static cl::opt<unsigned>
106 TinyTripCountVectorThreshold("vectorizer-min-trip-count", cl::init(16),
107                              cl::Hidden,
108                              cl::desc("Don't vectorize loops with a constant "
109                                       "trip count that is smaller than this "
110                                       "value."));
111
112 /// We don't unroll loops with a known constant trip count below this number.
113 static const unsigned TinyTripCountUnrollThreshold = 128;
114
115 /// When performing a runtime memory check, do not check more than this
116 /// number of pointers. Notice that the check is quadratic!
117 static const unsigned RuntimeMemoryCheckThreshold = 4;
118
119 /// We use a metadata with this name  to indicate that a scalar loop was
120 /// vectorized and that we don't need to re-vectorize it if we run into it
121 /// again.
122 static const char*
123 AlreadyVectorizedMDName = "llvm.vectorizer.already_vectorized";
124
125 namespace {
126
127 // Forward declarations.
128 class LoopVectorizationLegality;
129 class LoopVectorizationCostModel;
130
131 /// InnerLoopVectorizer vectorizes loops which contain only one basic
132 /// block to a specified vectorization factor (VF).
133 /// This class performs the widening of scalars into vectors, or multiple
134 /// scalars. This class also implements the following features:
135 /// * It inserts an epilogue loop for handling loops that don't have iteration
136 ///   counts that are known to be a multiple of the vectorization factor.
137 /// * It handles the code generation for reduction variables.
138 /// * Scalarization (implementation using scalars) of un-vectorizable
139 ///   instructions.
140 /// InnerLoopVectorizer does not perform any vectorization-legality
141 /// checks, and relies on the caller to check for the different legality
142 /// aspects. The InnerLoopVectorizer relies on the
143 /// LoopVectorizationLegality class to provide information about the induction
144 /// and reduction variables that were found to a given vectorization factor.
145 class InnerLoopVectorizer {
146 public:
147   InnerLoopVectorizer(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
148                       DominatorTree *DT, DataLayout *DL,
149                       const TargetLibraryInfo *TLI, unsigned VecWidth,
150                       unsigned UnrollFactor)
151       : OrigLoop(OrigLoop), SE(SE), LI(LI), DT(DT), DL(DL), TLI(TLI),
152         VF(VecWidth), UF(UnrollFactor), Builder(SE->getContext()), Induction(0),
153         OldInduction(0), WidenMap(UnrollFactor) {}
154
155   // Perform the actual loop widening (vectorization).
156   void vectorize(LoopVectorizationLegality *Legal) {
157     // Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
158     createEmptyLoop(Legal);
159     // Widen each instruction in the old loop to a new one in the new loop.
160     // Use the Legality module to find the induction and reduction variables.
161     vectorizeLoop(Legal);
162     // Register the new loop and update the analysis passes.
163     updateAnalysis();
164   }
165
166 private:
167   /// A small list of PHINodes.
168   typedef SmallVector<PHINode*, 4> PhiVector;
169   /// When we unroll loops we have multiple vector values for each scalar.
170   /// This data structure holds the unrolled and vectorized values that
171   /// originated from one scalar instruction.
172   typedef SmallVector<Value*, 2> VectorParts;
173
174   /// Add code that checks at runtime if the accessed arrays overlap.
175   /// Returns the comparator value or NULL if no check is needed.
176   Instruction *addRuntimeCheck(LoopVectorizationLegality *Legal,
177                                Instruction *Loc);
178   /// Create an empty loop, based on the loop ranges of the old loop.
179   void createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
180   /// Copy and widen the instructions from the old loop.
181   void vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
182
183   /// A helper function that computes the predicate of the block BB, assuming
184   /// that the header block of the loop is set to True. It returns the *entry*
185   /// mask for the block BB.
186   VectorParts createBlockInMask(BasicBlock *BB);
187   /// A helper function that computes the predicate of the edge between SRC
188   /// and DST.
189   VectorParts createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst);
190
191   /// A helper function to vectorize a single BB within the innermost loop.
192   void vectorizeBlockInLoop(LoopVectorizationLegality *Legal, BasicBlock *BB,
193                             PhiVector *PV);
194
195   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager
196   /// and update the analysis passes.
197   void updateAnalysis();
198
199   /// This instruction is un-vectorizable. Implement it as a sequence
200   /// of scalars.
201   void scalarizeInstruction(Instruction *Instr);
202
203   /// Vectorize Load and Store instructions,
204   void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
205                                   LoopVectorizationLegality *Legal);
206
207   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
208   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
209   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
210   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
211   /// element.
212   Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
213
214   /// This function adds 0, 1, 2 ... to each vector element, starting at zero.
215   /// If Negate is set then negative numbers are added e.g. (0, -1, -2, ...).
216   /// The sequence starts at StartIndex.
217   Value *getConsecutiveVector(Value* Val, unsigned StartIdx, bool Negate);
218
219   /// When we go over instructions in the basic block we rely on previous
220   /// values within the current basic block or on loop invariant values.
221   /// When we widen (vectorize) values we place them in the map. If the values
222   /// are not within the map, they have to be loop invariant, so we simply
223   /// broadcast them into a vector.
224   VectorParts &getVectorValue(Value *V);
225
226   /// Generate a shuffle sequence that will reverse the vector Vec.
227   Value *reverseVector(Value *Vec);
228
229   /// This is a helper class that holds the vectorizer state. It maps scalar
230   /// instructions to vector instructions. When the code is 'unrolled' then
231   /// then a single scalar value is mapped to multiple vector parts. The parts
232   /// are stored in the VectorPart type.
233   struct ValueMap {
234     /// C'tor.  UnrollFactor controls the number of vectors ('parts') that
235     /// are mapped.
236     ValueMap(unsigned UnrollFactor) : UF(UnrollFactor) {}
237
238     /// \return True if 'Key' is saved in the Value Map.
239     bool has(Value *Key) const { return MapStorage.count(Key); }
240
241     /// Initializes a new entry in the map. Sets all of the vector parts to the
242     /// save value in 'Val'.
243     /// \return A reference to a vector with splat values.
244     VectorParts &splat(Value *Key, Value *Val) {
245       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
246       Entry.assign(UF, Val);
247       return Entry;
248     }
249
250     ///\return A reference to the value that is stored at 'Key'.
251     VectorParts &get(Value *Key) {
252       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
253       if (Entry.empty())
254         Entry.resize(UF);
255       assert(Entry.size() == UF);
256       return Entry;
257     }
258
259   private:
260     /// The unroll factor. Each entry in the map stores this number of vector
261     /// elements.
262     unsigned UF;
263
264     /// Map storage. We use std::map and not DenseMap because insertions to a
265     /// dense map invalidates its iterators.
266     std::map<Value *, VectorParts> MapStorage;
267   };
268
269   /// The original loop.
270   Loop *OrigLoop;
271   /// Scev analysis to use.
272   ScalarEvolution *SE;
273   /// Loop Info.
274   LoopInfo *LI;
275   /// Dominator Tree.
276   DominatorTree *DT;
277   /// Data Layout.
278   DataLayout *DL;
279   /// Target Library Info.
280   const TargetLibraryInfo *TLI;
281
282   /// The vectorization SIMD factor to use. Each vector will have this many
283   /// vector elements.
284   unsigned VF;
285   /// The vectorization unroll factor to use. Each scalar is vectorized to this
286   /// many different vector instructions.
287   unsigned UF;
288
289   /// The builder that we use
290   IRBuilder<> Builder;
291
292   // --- Vectorization state ---
293
294   /// The vector-loop preheader.
295   BasicBlock *LoopVectorPreHeader;
296   /// The scalar-loop preheader.
297   BasicBlock *LoopScalarPreHeader;
298   /// Middle Block between the vector and the scalar.
299   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
300   ///The ExitBlock of the scalar loop.
301   BasicBlock *LoopExitBlock;
302   ///The vector loop body.
303   BasicBlock *LoopVectorBody;
304   ///The scalar loop body.
305   BasicBlock *LoopScalarBody;
306   /// A list of all bypass blocks. The first block is the entry of the loop.
307   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopBypassBlocks;
308
309   /// The new Induction variable which was added to the new block.
310   PHINode *Induction;
311   /// The induction variable of the old basic block.
312   PHINode *OldInduction;
313   /// Maps scalars to widened vectors.
314   ValueMap WidenMap;
315 };
316
317 /// LoopVectorizationLegality checks if it is legal to vectorize a loop, and
318 /// to what vectorization factor.
319 /// This class does not look at the profitability of vectorization, only the
320 /// legality. This class has two main kinds of checks:
321 /// * Memory checks - The code in canVectorizeMemory checks if vectorization
322 ///   will change the order of memory accesses in a way that will change the
323 ///   correctness of the program.
324 /// * Scalars checks - The code in canVectorizeInstrs and canVectorizeMemory
325 /// checks for a number of different conditions, such as the availability of a
326 /// single induction variable, that all types are supported and vectorize-able,
327 /// etc. This code reflects the capabilities of InnerLoopVectorizer.
328 /// This class is also used by InnerLoopVectorizer for identifying
329 /// induction variable and the different reduction variables.
330 class LoopVectorizationLegality {
331 public:
332   LoopVectorizationLegality(Loop *L, ScalarEvolution *SE, DataLayout *DL,
333                             DominatorTree *DT, TargetTransformInfo* TTI,
334                             AliasAnalysis *AA, TargetLibraryInfo *TLI)
335       : TheLoop(L), SE(SE), DL(DL), DT(DT), TTI(TTI), AA(AA), TLI(TLI),
336         Induction(0) {}
337
338   /// This enum represents the kinds of reductions that we support.
339   enum ReductionKind {
340     RK_NoReduction, ///< Not a reduction.
341     RK_IntegerAdd,  ///< Sum of integers.
342     RK_IntegerMult, ///< Product of integers.
343     RK_IntegerOr,   ///< Bitwise or logical OR of numbers.
344     RK_IntegerAnd,  ///< Bitwise or logical AND of numbers.
345     RK_IntegerXor,  ///< Bitwise or logical XOR of numbers.
346     RK_IntegerMinMax, ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
347     RK_FloatAdd,    ///< Sum of floats.
348     RK_FloatMult    ///< Product of floats.
349   };
350
351   /// This enum represents the kinds of inductions that we support.
352   enum InductionKind {
353     IK_NoInduction,         ///< Not an induction variable.
354     IK_IntInduction,        ///< Integer induction variable. Step = 1.
355     IK_ReverseIntInduction, ///< Reverse int induction variable. Step = -1.
356     IK_PtrInduction,        ///< Pointer induction var. Step = sizeof(elem).
357     IK_ReversePtrInduction  ///< Reverse ptr indvar. Step = - sizeof(elem).
358   };
359
360   /// This POD struct holds information about reduction variables.
361   struct ReductionDescriptor {
362     ReductionDescriptor() : StartValue(0), LoopExitInstr(0),
363       Kind(RK_NoReduction) {}
364
365     ReductionDescriptor(Value *Start, Instruction *Exit, ReductionKind K,
366                         CmpInst::Predicate P)
367         : StartValue(Start), LoopExitInstr(Exit), Kind(K), MinMaxPred(P) {}
368
369     // The starting value of the reduction.
370     // It does not have to be zero!
371     Value *StartValue;
372     // The instruction who's value is used outside the loop.
373     Instruction *LoopExitInstr;
374     // The kind of the reduction.
375     ReductionKind Kind;
376     // If this a min/max reduction the kind of reduction.
377     CmpInst::Predicate MinMaxPred;
378   };
379
380   /// This POD struct holds information about a potential reduction operation.
381   struct ReductionInstDesc {
382     ReductionInstDesc(bool IsRedux, Instruction *I) :
383       IsReduction(IsRedux), PatternLastInst(I), Predicate(ICmpInst::ICMP_EQ) {}
384
385     ReductionInstDesc(Instruction *I, CmpInst::Predicate P) :
386       IsReduction(true), PatternLastInst(I), Predicate(P) {}
387
388     // Is this instruction a reduction candidate.
389     bool IsReduction;
390     // The last instruction in a min/max pattern (select of the select(icmp())
391     // pattern), or the current reduction instruction otherwise.
392     Instruction *PatternLastInst;
393     // If this is a min/max pattern the comparison predicate.
394     CmpInst::Predicate Predicate;
395   };
396
397   // This POD struct holds information about the memory runtime legality
398   // check that a group of pointers do not overlap.
399   struct RuntimePointerCheck {
400     RuntimePointerCheck() : Need(false) {}
401
402     /// Reset the state of the pointer runtime information.
403     void reset() {
404       Need = false;
405       Pointers.clear();
406       Starts.clear();
407       Ends.clear();
408     }
409
410     /// Insert a pointer and calculate the start and end SCEVs.
411     void insert(ScalarEvolution *SE, Loop *Lp, Value *Ptr);
412
413     /// This flag indicates if we need to add the runtime check.
414     bool Need;
415     /// Holds the pointers that we need to check.
416     SmallVector<Value*, 2> Pointers;
417     /// Holds the pointer value at the beginning of the loop.
418     SmallVector<const SCEV*, 2> Starts;
419     /// Holds the pointer value at the end of the loop.
420     SmallVector<const SCEV*, 2> Ends;
421   };
422
423   /// A POD for saving information about induction variables.
424   struct InductionInfo {
425     InductionInfo(Value *Start, InductionKind K) : StartValue(Start), IK(K) {}
426     InductionInfo() : StartValue(0), IK(IK_NoInduction) {}
427     /// Start value.
428     Value *StartValue;
429     /// Induction kind.
430     InductionKind IK;
431   };
432
433   /// ReductionList contains the reduction descriptors for all
434   /// of the reductions that were found in the loop.
435   typedef DenseMap<PHINode*, ReductionDescriptor> ReductionList;
436
437   /// InductionList saves induction variables and maps them to the
438   /// induction descriptor.
439   typedef MapVector<PHINode*, InductionInfo> InductionList;
440
441   /// Alias(Multi)Map stores the values (GEPs or underlying objects and their
442   /// respective Store/Load instruction(s) to calculate aliasing.
443   typedef MapVector<Value*, Instruction* > AliasMap;
444   typedef DenseMap<Value*, std::vector<Instruction*> > AliasMultiMap;
445
446   /// Returns true if it is legal to vectorize this loop.
447   /// This does not mean that it is profitable to vectorize this
448   /// loop, only that it is legal to do so.
449   bool canVectorize();
450
451   /// Returns the Induction variable.
452   PHINode *getInduction() { return Induction; }
453
454   /// Returns the reduction variables found in the loop.
455   ReductionList *getReductionVars() { return &Reductions; }
456
457   /// Returns the induction variables found in the loop.
458   InductionList *getInductionVars() { return &Inductions; }
459
460   /// Returns True if V is an induction variable in this loop.
461   bool isInductionVariable(const Value *V);
462
463   /// Return true if the block BB needs to be predicated in order for the loop
464   /// to be vectorized.
465   bool blockNeedsPredication(BasicBlock *BB);
466
467   /// Check if this  pointer is consecutive when vectorizing. This happens
468   /// when the last index of the GEP is the induction variable, or that the
469   /// pointer itself is an induction variable.
470   /// This check allows us to vectorize A[idx] into a wide load/store.
471   /// Returns:
472   /// 0 - Stride is unknown or non consecutive.
473   /// 1 - Address is consecutive.
474   /// -1 - Address is consecutive, and decreasing.
475   int isConsecutivePtr(Value *Ptr);
476
477   /// Returns true if the value V is uniform within the loop.
478   bool isUniform(Value *V);
479
480   /// Returns true if this instruction will remain scalar after vectorization.
481   bool isUniformAfterVectorization(Instruction* I) { return Uniforms.count(I); }
482
483   /// Returns the information that we collected about runtime memory check.
484   RuntimePointerCheck *getRuntimePointerCheck() { return &PtrRtCheck; }
485 private:
486   /// Check if a single basic block loop is vectorizable.
487   /// At this point we know that this is a loop with a constant trip count
488   /// and we only need to check individual instructions.
489   bool canVectorizeInstrs();
490
491   /// When we vectorize loops we may change the order in which
492   /// we read and write from memory. This method checks if it is
493   /// legal to vectorize the code, considering only memory constrains.
494   /// Returns true if the loop is vectorizable
495   bool canVectorizeMemory();
496
497   /// Return true if we can vectorize this loop using the IF-conversion
498   /// transformation.
499   bool canVectorizeWithIfConvert();
500
501   /// Collect the variables that need to stay uniform after vectorization.
502   void collectLoopUniforms();
503
504   /// Return true if all of the instructions in the block can be speculatively
505   /// executed.
506   bool blockCanBePredicated(BasicBlock *BB);
507
508   /// Returns True, if 'Phi' is the kind of reduction variable for type
509   /// 'Kind'. If this is a reduction variable, it adds it to ReductionList.
510   bool AddReductionVar(PHINode *Phi, ReductionKind Kind);
511   /// Returns a struct describing if the instruction 'I' can be a reduction
512   /// variable of type 'Kind'. If the reduction is a min/max pattern of
513   /// select(icmp()) this function advances the instruction pointer 'I' from the
514   /// compare instruction to the select instruction and stores this pointer in
515   /// 'PatternLastInst' member of the returned struct.
516   ReductionInstDesc isReductionInstr(Instruction *I, ReductionKind Kind,
517                                      ReductionInstDesc Desc);
518   /// Returns the induction kind of Phi. This function may return NoInduction
519   /// if the PHI is not an induction variable.
520   InductionKind isInductionVariable(PHINode *Phi);
521   /// Return true if can compute the address bounds of Ptr within the loop.
522   bool hasComputableBounds(Value *Ptr);
523   /// Return true if there is the chance of write reorder.
524   bool hasPossibleGlobalWriteReorder(Value *Object,
525                                      Instruction *Inst,
526                                      AliasMultiMap &WriteObjects,
527                                      unsigned MaxByteWidth);
528   /// Return the AA location for a load or a store.
529   AliasAnalysis::Location getLoadStoreLocation(Instruction *Inst);
530
531
532   /// The loop that we evaluate.
533   Loop *TheLoop;
534   /// Scev analysis.
535   ScalarEvolution *SE;
536   /// DataLayout analysis.
537   DataLayout *DL;
538   /// Dominators.
539   DominatorTree *DT;
540   /// Target Info.
541   TargetTransformInfo *TTI;
542   /// Alias Analysis.
543   AliasAnalysis *AA;
544   /// Target Library Info.
545   TargetLibraryInfo *TLI;
546
547   //  ---  vectorization state --- //
548
549   /// Holds the integer induction variable. This is the counter of the
550   /// loop.
551   PHINode *Induction;
552   /// Holds the reduction variables.
553   ReductionList Reductions;
554   /// Holds all of the induction variables that we found in the loop.
555   /// Notice that inductions don't need to start at zero and that induction
556   /// variables can be pointers.
557   InductionList Inductions;
558
559   /// Allowed outside users. This holds the reduction
560   /// vars which can be accessed from outside the loop.
561   SmallPtrSet<Value*, 4> AllowedExit;
562   /// This set holds the variables which are known to be uniform after
563   /// vectorization.
564   SmallPtrSet<Instruction*, 4> Uniforms;
565   /// We need to check that all of the pointers in this list are disjoint
566   /// at runtime.
567   RuntimePointerCheck PtrRtCheck;
568 };
569
570 /// LoopVectorizationCostModel - estimates the expected speedups due to
571 /// vectorization.
572 /// In many cases vectorization is not profitable. This can happen because of
573 /// a number of reasons. In this class we mainly attempt to predict the
574 /// expected speedup/slowdowns due to the supported instruction set. We use the
575 /// TargetTransformInfo to query the different backends for the cost of
576 /// different operations.
577 class LoopVectorizationCostModel {
578 public:
579   LoopVectorizationCostModel(Loop *L, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
580                              LoopVectorizationLegality *Legal,
581                              const TargetTransformInfo &TTI,
582                              DataLayout *DL, const TargetLibraryInfo *TLI)
583       : TheLoop(L), SE(SE), LI(LI), Legal(Legal), TTI(TTI), DL(DL), TLI(TLI) {}
584
585   /// Information about vectorization costs
586   struct VectorizationFactor {
587     unsigned Width; // Vector width with best cost
588     unsigned Cost; // Cost of the loop with that width
589   };
590   /// \return The most profitable vectorization factor and the cost of that VF.
591   /// This method checks every power of two up to VF. If UserVF is not ZERO
592   /// then this vectorization factor will be selected if vectorization is
593   /// possible.
594   VectorizationFactor selectVectorizationFactor(bool OptForSize,
595                                                 unsigned UserVF);
596
597   /// \return The size (in bits) of the widest type in the code that
598   /// needs to be vectorized. We ignore values that remain scalar such as
599   /// 64 bit loop indices.
600   unsigned getWidestType();
601
602   /// \return The most profitable unroll factor.
603   /// If UserUF is non-zero then this method finds the best unroll-factor
604   /// based on register pressure and other parameters.
605   /// VF and LoopCost are the selected vectorization factor and the cost of the
606   /// selected VF.
607   unsigned selectUnrollFactor(bool OptForSize, unsigned UserUF, unsigned VF,
608                               unsigned LoopCost);
609
610   /// \brief A struct that represents some properties of the register usage
611   /// of a loop.
612   struct RegisterUsage {
613     /// Holds the number of loop invariant values that are used in the loop.
614     unsigned LoopInvariantRegs;
615     /// Holds the maximum number of concurrent live intervals in the loop.
616     unsigned MaxLocalUsers;
617     /// Holds the number of instructions in the loop.
618     unsigned NumInstructions;
619   };
620
621   /// \return  information about the register usage of the loop.
622   RegisterUsage calculateRegisterUsage();
623
624 private:
625   /// Returns the expected execution cost. The unit of the cost does
626   /// not matter because we use the 'cost' units to compare different
627   /// vector widths. The cost that is returned is *not* normalized by
628   /// the factor width.
629   unsigned expectedCost(unsigned VF);
630
631   /// Returns the execution time cost of an instruction for a given vector
632   /// width. Vector width of one means scalar.
633   unsigned getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
634
635   /// A helper function for converting Scalar types to vector types.
636   /// If the incoming type is void, we return void. If the VF is 1, we return
637   /// the scalar type.
638   static Type* ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF);
639
640   /// Returns whether the instruction is a load or store and will be a emitted
641   /// as a vector operation.
642   bool isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *I);
643
644   /// The loop that we evaluate.
645   Loop *TheLoop;
646   /// Scev analysis.
647   ScalarEvolution *SE;
648   /// Loop Info analysis.
649   LoopInfo *LI;
650   /// Vectorization legality.
651   LoopVectorizationLegality *Legal;
652   /// Vector target information.
653   const TargetTransformInfo &TTI;
654   /// Target data layout information.
655   DataLayout *DL;
656   /// Target Library Info.
657   const TargetLibraryInfo *TLI;
658 };
659
660 /// The LoopVectorize Pass.
661 struct LoopVectorize : public LoopPass {
662   /// Pass identification, replacement for typeid
663   static char ID;
664
665   explicit LoopVectorize() : LoopPass(ID) {
666     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
667   }
668
669   ScalarEvolution *SE;
670   DataLayout *DL;
671   LoopInfo *LI;
672   TargetTransformInfo *TTI;
673   DominatorTree *DT;
674   AliasAnalysis *AA;
675   TargetLibraryInfo *TLI;
676
677   virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
678     // We only vectorize innermost loops.
679     if (!L->empty())
680       return false;
681
682     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
683     DL = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
684     LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
685     TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
686     DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
687     AA = getAnalysisIfAvailable<AliasAnalysis>();
688     TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
689
690     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking a loop in \"" <<
691           L->getHeader()->getParent()->getName() << "\"\n");
692
693     // Check if it is legal to vectorize the loop.
694     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DL, DT, TTI, AA, TLI);
695     if (!LVL.canVectorize()) {
696       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing.\n");
697       return false;
698     }
699
700     // Use the cost model.
701     LoopVectorizationCostModel CM(L, SE, LI, &LVL, *TTI, DL, TLI);
702
703     // Check the function attributes to find out if this function should be
704     // optimized for size.
705     Function *F = L->getHeader()->getParent();
706     Attribute::AttrKind SzAttr = Attribute::OptimizeForSize;
707     Attribute::AttrKind FlAttr = Attribute::NoImplicitFloat;
708     unsigned FnIndex = AttributeSet::FunctionIndex;
709     bool OptForSize = F->getAttributes().hasAttribute(FnIndex, SzAttr);
710     bool NoFloat = F->getAttributes().hasAttribute(FnIndex, FlAttr);
711
712     if (NoFloat) {
713       DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize when the NoImplicitFloat"
714             "attribute is used.\n");
715       return false;
716     }
717
718     // Select the optimal vectorization factor.
719     LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor VF;
720     VF = CM.selectVectorizationFactor(OptForSize, VectorizationFactor);
721     // Select the unroll factor.
722     unsigned UF = CM.selectUnrollFactor(OptForSize, VectorizationUnroll,
723                                         VF.Width, VF.Cost);
724
725     if (VF.Width == 1) {
726       DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial.\n");
727       return false;
728     }
729
730     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop ("<< VF.Width << ") in "<<
731           F->getParent()->getModuleIdentifier()<<"\n");
732     DEBUG(dbgs() << "LV: Unroll Factor is " << UF << "\n");
733
734     // If we decided that it is *legal* to vectorize the loop then do it.
735     InnerLoopVectorizer LB(L, SE, LI, DT, DL, TLI, VF.Width, UF);
736     LB.vectorize(&LVL);
737
738     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
739     return true;
740   }
741
742   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
743     LoopPass::getAnalysisUsage(AU);
744     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
745     AU.addRequiredID(LCSSAID);
746     AU.addRequired<DominatorTree>();
747     AU.addRequired<LoopInfo>();
748     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
749     AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
750     AU.addPreserved<LoopInfo>();
751     AU.addPreserved<DominatorTree>();
752   }
753
754 };
755
756 } // end anonymous namespace
757
758 //===----------------------------------------------------------------------===//
759 // Implementation of LoopVectorizationLegality, InnerLoopVectorizer and
760 // LoopVectorizationCostModel.
761 //===----------------------------------------------------------------------===//
762
763 void
764 LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck::insert(ScalarEvolution *SE,
765                                                        Loop *Lp, Value *Ptr) {
766   const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
767   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Sc);
768   assert(AR && "Invalid addrec expression");
769   const SCEV *Ex = SE->getExitCount(Lp, Lp->getLoopLatch());
770   const SCEV *ScEnd = AR->evaluateAtIteration(Ex, *SE);
771   Pointers.push_back(Ptr);
772   Starts.push_back(AR->getStart());
773   Ends.push_back(ScEnd);
774 }
775
776 Value *InnerLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
777   // Save the current insertion location.
778   Instruction *Loc = Builder.GetInsertPoint();
779
780   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop.
781   Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(V);
782   bool NewInstr = (Instr && Instr->getParent() == LoopVectorBody);
783   bool Invariant = OrigLoop->isLoopInvariant(V) && !NewInstr;
784
785   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
786   if (Invariant)
787     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
788
789   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
790   Value *Shuf = Builder.CreateVectorSplat(VF, V, "broadcast");
791
792   // Restore the builder insertion point.
793   if (Invariant)
794     Builder.SetInsertPoint(Loc);
795
796   return Shuf;
797 }
798
799 Value *InnerLoopVectorizer::getConsecutiveVector(Value* Val, unsigned StartIdx,
800                                                  bool Negate) {
801   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
802   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
803          "Elem must be an integer");
804   // Create the types.
805   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
806   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
807   int VLen = Ty->getNumElements();
808   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
809
810   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
811   for (int i = 0; i < VLen; ++i) {
812     int Idx = Negate ? (-i): i;
813     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, StartIdx + Idx));
814   }
815
816   // Add the consecutive indices to the vector value.
817   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
818   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
819   return Builder.CreateAdd(Val, Cv, "induction");
820 }
821
822 int LoopVectorizationLegality::isConsecutivePtr(Value *Ptr) {
823   assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected non ptr");
824   // Make sure that the pointer does not point to structs.
825   if (cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType()->isAggregateType())
826     return 0;
827
828   // If this value is a pointer induction variable we know it is consecutive.
829   PHINode *Phi = dyn_cast_or_null<PHINode>(Ptr);
830   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
831     InductionInfo II = Inductions[Phi];
832     if (IK_PtrInduction == II.IK)
833       return 1;
834     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
835       return -1;
836   }
837
838   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast_or_null<GetElementPtrInst>(Ptr);
839   if (!Gep)
840     return 0;
841
842   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
843   Value *LastIndex = Gep->getOperand(NumOperands - 1);
844
845   Value *GpPtr = Gep->getPointerOperand();
846   // If this GEP value is a consecutive pointer induction variable and all of
847   // the indices are constant then we know it is consecutive. We can
848   Phi = dyn_cast<PHINode>(GpPtr);
849   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
850
851     // Make sure that the pointer does not point to structs.
852     PointerType *GepPtrType = cast<PointerType>(GpPtr->getType());
853     if (GepPtrType->getElementType()->isAggregateType())
854       return 0;
855
856     // Make sure that all of the index operands are loop invariant.
857     for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i)
858       if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
859         return 0;
860
861     InductionInfo II = Inductions[Phi];
862     if (IK_PtrInduction == II.IK)
863       return 1;
864     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
865       return -1;
866   }
867
868   // Check that all of the gep indices are uniform except for the last.
869   for (unsigned i = 0; i < NumOperands - 1; ++i)
870     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
871       return 0;
872
873   // We can emit wide load/stores only if the last index is the induction
874   // variable.
875   const SCEV *Last = SE->getSCEV(LastIndex);
876   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
877     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
878
879     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
880     // and all other indices are loop invariant.
881     if (Step->isOne())
882       return 1;
883     if (Step->isAllOnesValue())
884       return -1;
885   }
886
887   return 0;
888 }
889
890 bool LoopVectorizationLegality::isUniform(Value *V) {
891   return (SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(V), TheLoop));
892 }
893
894 InnerLoopVectorizer::VectorParts&
895 InnerLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
896   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
897   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
898
899   // If we have this scalar in the map, return it.
900   if (WidenMap.has(V))
901     return WidenMap.get(V);
902
903   // If this scalar is unknown, assume that it is a constant or that it is
904   // loop invariant. Broadcast V and save the value for future uses.
905   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
906   return WidenMap.splat(V, B);
907 }
908
909 Value *InnerLoopVectorizer::reverseVector(Value *Vec) {
910   assert(Vec->getType()->isVectorTy() && "Invalid type");
911   SmallVector<Constant*, 8> ShuffleMask;
912   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
913     ShuffleMask.push_back(Builder.getInt32(VF - i - 1));
914
915   return Builder.CreateShuffleVector(Vec, UndefValue::get(Vec->getType()),
916                                      ConstantVector::get(ShuffleMask),
917                                      "reverse");
918 }
919
920
921 void InnerLoopVectorizer::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
922                                              LoopVectorizationLegality *Legal) {
923   // Attempt to issue a wide load.
924   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Instr);
925   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
926
927   assert((LI || SI) && "Invalid Load/Store instruction");
928
929   Type *ScalarDataTy = LI ? LI->getType() : SI->getValueOperand()->getType();
930   Type *DataTy = VectorType::get(ScalarDataTy, VF);
931   Value *Ptr = LI ? LI->getPointerOperand() : SI->getPointerOperand();
932   unsigned Alignment = LI ? LI->getAlignment() : SI->getAlignment();
933
934   // If the pointer is loop invariant or if it is non consecutive,
935   // scalarize the load.
936   int Stride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
937   bool Reverse = Stride < 0;
938   bool UniformLoad = LI && Legal->isUniform(Ptr);
939   if (Stride == 0 || UniformLoad)
940     return scalarizeInstruction(Instr);
941
942   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
943   VectorParts &Entry = WidenMap.get(Instr);
944
945   // Handle consecutive loads/stores.
946   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
947   if (Gep && Legal->isInductionVariable(Gep->getPointerOperand())) {
948     Value *PtrOperand = Gep->getPointerOperand();
949     Value *FirstBasePtr = getVectorValue(PtrOperand)[0];
950     FirstBasePtr = Builder.CreateExtractElement(FirstBasePtr, Zero);
951
952     // Create the new GEP with the new induction variable.
953     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
954     Gep2->setOperand(0, FirstBasePtr);
955     Gep2->setName("gep.indvar.base");
956     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
957   } else if (Gep) {
958     assert(SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getPointerOperand()),
959                                OrigLoop) && "Base ptr must be invariant");
960
961     // The last index does not have to be the induction. It can be
962     // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
963     unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
964
965     Value *LastGepOperand = Gep->getOperand(NumOperands - 1);
966     VectorParts &GEPParts = getVectorValue(LastGepOperand);
967     Value *LastIndex = GEPParts[0];
968     LastIndex = Builder.CreateExtractElement(LastIndex, Zero);
969
970     // Create the new GEP with the new induction variable.
971     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
972     Gep2->setOperand(NumOperands - 1, LastIndex);
973     Gep2->setName("gep.indvar.idx");
974     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
975   } else {
976     // Use the induction element ptr.
977     assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
978     VectorParts &PtrVal = getVectorValue(Ptr);
979     Ptr = Builder.CreateExtractElement(PtrVal[0], Zero);
980   }
981
982   // Handle Stores:
983   if (SI) {
984     assert(!Legal->isUniform(SI->getPointerOperand()) &&
985            "We do not allow storing to uniform addresses");
986
987     VectorParts &StoredVal = getVectorValue(SI->getValueOperand());
988     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
989       // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
990       Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
991
992       if (Reverse) {
993         // If we store to reverse consecutive memory locations then we need
994         // to reverse the order of elements in the stored value.
995         StoredVal[Part] = reverseVector(StoredVal[Part]);
996         // If the address is consecutive but reversed, then the
997         // wide store needs to start at the last vector element.
998         PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
999         PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1000       }
1001
1002       Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr, DataTy->getPointerTo());
1003       Builder.CreateStore(StoredVal[Part], VecPtr)->setAlignment(Alignment);
1004     }
1005   }
1006
1007   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1008     // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1009     Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1010
1011     if (Reverse) {
1012       // If the address is consecutive but reversed, then the
1013       // wide store needs to start at the last vector element.
1014       PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1015       PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1016     }
1017
1018     Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr, DataTy->getPointerTo());
1019     Value *LI = Builder.CreateLoad(VecPtr, "wide.load");
1020     cast<LoadInst>(LI)->setAlignment(Alignment);
1021     Entry[Part] = Reverse ? reverseVector(LI) :  LI;
1022   }
1023 }
1024
1025 void InnerLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr) {
1026   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
1027   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
1028   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
1029
1030   // Find all of the vectorized parameters.
1031   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1032     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
1033
1034     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
1035     if (SrcOp == OldInduction) {
1036       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
1037       continue;
1038     }
1039
1040     // Try using previously calculated values.
1041     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
1042
1043     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
1044     // then it should already be vectorized.
1045     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
1046       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
1047       // The parameter is a vector value from earlier.
1048       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
1049     } else {
1050       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
1051       VectorParts Scalars;
1052       Scalars.append(UF, SrcOp);
1053       Params.push_back(Scalars);
1054     }
1055   }
1056
1057   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
1058          "Invalid number of operands");
1059
1060   // Does this instruction return a value ?
1061   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
1062
1063   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? 0 :
1064     UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
1065   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
1066   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
1067
1068   // For each scalar that we create:
1069   for (unsigned Width = 0; Width < VF; ++Width) {
1070     // For each vector unroll 'part':
1071     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1072       Instruction *Cloned = Instr->clone();
1073       if (!IsVoidRetTy)
1074         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
1075       // Replace the operands of the cloned instrucions with extracted scalars.
1076       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1077         Value *Op = Params[op][Part];
1078         // Param is a vector. Need to extract the right lane.
1079         if (Op->getType()->isVectorTy())
1080           Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(Width));
1081         Cloned->setOperand(op, Op);
1082       }
1083
1084       // Place the cloned scalar in the new loop.
1085       Builder.Insert(Cloned);
1086
1087       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
1088       // so that future users will be able to use it.
1089       if (!IsVoidRetTy)
1090         VecResults[Part] = Builder.CreateInsertElement(VecResults[Part], Cloned,
1091                                                        Builder.getInt32(Width));
1092     }
1093   }
1094 }
1095
1096 Instruction *
1097 InnerLoopVectorizer::addRuntimeCheck(LoopVectorizationLegality *Legal,
1098                                      Instruction *Loc) {
1099   LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck *PtrRtCheck =
1100   Legal->getRuntimePointerCheck();
1101
1102   if (!PtrRtCheck->Need)
1103     return NULL;
1104
1105   Instruction *MemoryRuntimeCheck = 0;
1106   unsigned NumPointers = PtrRtCheck->Pointers.size();
1107   SmallVector<Value* , 2> Starts;
1108   SmallVector<Value* , 2> Ends;
1109
1110   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
1111
1112   // Use this type for pointer arithmetic.
1113   Type* PtrArithTy = Type::getInt8PtrTy(Loc->getContext(), 0);
1114
1115   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
1116     Value *Ptr = PtrRtCheck->Pointers[i];
1117     const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
1118
1119     if (SE->isLoopInvariant(Sc, OrigLoop)) {
1120       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for a loop invariant ptr:" <<
1121             *Ptr <<"\n");
1122       Starts.push_back(Ptr);
1123       Ends.push_back(Ptr);
1124     } else {
1125       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for range:" << *Ptr <<"\n");
1126
1127       Value *Start = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Starts[i], PtrArithTy, Loc);
1128       Value *End = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Ends[i], PtrArithTy, Loc);
1129       Starts.push_back(Start);
1130       Ends.push_back(End);
1131     }
1132   }
1133
1134   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
1135
1136   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
1137     for (unsigned j = i+1; j < NumPointers; ++j) {
1138       Value *Start0 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[i], PtrArithTy, "bc");
1139       Value *Start1 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[j], PtrArithTy, "bc");
1140       Value *End0 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[i],   PtrArithTy, "bc");
1141       Value *End1 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[j],   PtrArithTy, "bc");
1142
1143       Value *Cmp0 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start0, End1, "bound0");
1144       Value *Cmp1 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start1, End0, "bound1");
1145       Value *IsConflict = ChkBuilder.CreateAnd(Cmp0, Cmp1, "found.conflict");
1146       if (MemoryRuntimeCheck)
1147         IsConflict = ChkBuilder.CreateOr(MemoryRuntimeCheck, IsConflict,
1148                                          "conflict.rdx");
1149
1150       MemoryRuntimeCheck = cast<Instruction>(IsConflict);
1151     }
1152   }
1153
1154   return MemoryRuntimeCheck;
1155 }
1156
1157 void
1158 InnerLoopVectorizer::createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
1159   /*
1160    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
1161    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
1162    scalar remainder.
1163
1164        [ ] <-- vector loop bypass (may consist of multiple blocks).
1165      /  |
1166     /   v
1167    |   [ ]     <-- vector pre header.
1168    |    |
1169    |    v
1170    |   [  ] \
1171    |   [  ]_|   <-- vector loop.
1172    |    |
1173     \   v
1174       >[ ]   <--- middle-block.
1175      /  |
1176     /   v
1177    |   [ ]     <--- new preheader.
1178    |    |
1179    |    v
1180    |   [ ] \
1181    |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
1182     \   |
1183      \  v
1184       >[ ]     <-- exit block.
1185    ...
1186    */
1187
1188   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
1189   BasicBlock *BypassBlock = OrigLoop->getLoopPreheader();
1190   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
1191   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
1192
1193   // Mark the old scalar loop with metadata that tells us not to vectorize this
1194   // loop again if we run into it.
1195   MDNode *MD = MDNode::get(OldBasicBlock->getContext(), ArrayRef<Value*>());
1196   OldBasicBlock->getTerminator()->setMetadata(AlreadyVectorizedMDName, MD);
1197
1198   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
1199   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
1200   // induction variables. In the code below we also support a case where we
1201   // don't have a single induction variable.
1202   OldInduction = Legal->getInduction();
1203   Type *IdxTy = OldInduction ? OldInduction->getType() :
1204   DL->getIntPtrType(SE->getContext());
1205
1206   // Find the loop boundaries.
1207   const SCEV *ExitCount = SE->getExitCount(OrigLoop, OrigLoop->getLoopLatch());
1208   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
1209
1210   // Get the total trip count from the count by adding 1.
1211   ExitCount = SE->getAddExpr(ExitCount,
1212                              SE->getConstant(ExitCount->getType(), 1));
1213
1214   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
1215   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
1216   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
1217
1218   // Count holds the overall loop count (N).
1219   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
1220                                    BypassBlock->getTerminator());
1221
1222   // The loop index does not have to start at Zero. Find the original start
1223   // value from the induction PHI node. If we don't have an induction variable
1224   // then we know that it starts at zero.
1225   Value *StartIdx = OldInduction ?
1226   OldInduction->getIncomingValueForBlock(BypassBlock):
1227   ConstantInt::get(IdxTy, 0);
1228
1229   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
1230   LoopBypassBlocks.push_back(BypassBlock);
1231
1232   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
1233   BasicBlock *VectorPH =
1234   BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
1235   BasicBlock *VecBody =
1236   VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
1237   BasicBlock *MiddleBlock =
1238   VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
1239   BasicBlock *ScalarPH =
1240   MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
1241
1242   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
1243   // inside the loop.
1244   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
1245
1246   // Generate the induction variable.
1247   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
1248   // The loop step is equal to the vectorization factor (num of SIMD elements)
1249   // times the unroll factor (num of SIMD instructions).
1250   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF * UF);
1251
1252   // This is the IR builder that we use to add all of the logic for bypassing
1253   // the new vector loop.
1254   IRBuilder<> BypassBuilder(BypassBlock->getTerminator());
1255
1256   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
1257   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
1258   if (Count->getType() != IdxTy) {
1259     // The exit count can be of pointer type. Convert it to the correct
1260     // integer type.
1261     if (ExitCount->getType()->isPointerTy())
1262       Count = BypassBuilder.CreatePointerCast(Count, IdxTy, "ptrcnt.to.int");
1263     else
1264       Count = BypassBuilder.CreateZExtOrTrunc(Count, IdxTy, "cnt.cast");
1265   }
1266
1267   // Add the start index to the loop count to get the new end index.
1268   Value *IdxEnd = BypassBuilder.CreateAdd(Count, StartIdx, "end.idx");
1269
1270   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
1271   // the part that the vectorized body will execute.
1272   Value *R = BypassBuilder.CreateURem(Count, Step, "n.mod.vf");
1273   Value *CountRoundDown = BypassBuilder.CreateSub(Count, R, "n.vec");
1274   Value *IdxEndRoundDown = BypassBuilder.CreateAdd(CountRoundDown, StartIdx,
1275                                                      "end.idx.rnd.down");
1276
1277   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
1278   // jump to the scalar loop.
1279   Value *Cmp = BypassBuilder.CreateICmpEQ(IdxEndRoundDown, StartIdx,
1280                                           "cmp.zero");
1281
1282   BasicBlock *LastBypassBlock = BypassBlock;
1283
1284   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
1285   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
1286   // faster.
1287   Instruction *MemRuntimeCheck = addRuntimeCheck(Legal,
1288                                                  BypassBlock->getTerminator());
1289   if (MemRuntimeCheck) {
1290     // Create a new block containing the memory check.
1291     BasicBlock *CheckBlock = BypassBlock->splitBasicBlock(MemRuntimeCheck,
1292                                                           "vector.memcheck");
1293     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
1294
1295     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
1296     // for the "few elements case".
1297     Instruction *OldTerm = BypassBlock->getTerminator();
1298     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
1299     OldTerm->eraseFromParent();
1300
1301     Cmp = MemRuntimeCheck;
1302     LastBypassBlock = CheckBlock;
1303   }
1304
1305   LastBypassBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
1306   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp,
1307                      LastBypassBlock);
1308
1309   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
1310   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
1311   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
1312   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
1313   // iteration in the vectorized loop.
1314   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original
1315   // start value.
1316
1317   // This variable saves the new starting index for the scalar loop.
1318   PHINode *ResumeIndex = 0;
1319   LoopVectorizationLegality::InductionList::iterator I, E;
1320   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
1321   for (I = List->begin(), E = List->end(); I != E; ++I) {
1322     PHINode *OrigPhi = I->first;
1323     LoopVectorizationLegality::InductionInfo II = I->second;
1324     PHINode *ResumeVal = PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "resume.val",
1325                                          MiddleBlock->getTerminator());
1326     Value *EndValue = 0;
1327     switch (II.IK) {
1328     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
1329       llvm_unreachable("Unknown induction");
1330     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
1331       // Handle the integer induction counter:
1332       assert(OrigPhi->getType()->isIntegerTy() && "Invalid type");
1333       assert(OrigPhi == OldInduction && "Unknown integer PHI");
1334       // We know what the end value is.
1335       EndValue = IdxEndRoundDown;
1336       // We also know which PHI node holds it.
1337       ResumeIndex = ResumeVal;
1338       break;
1339     }
1340     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction: {
1341       // Convert the CountRoundDown variable to the PHI size.
1342       unsigned CRDSize = CountRoundDown->getType()->getScalarSizeInBits();
1343       unsigned IISize = II.StartValue->getType()->getScalarSizeInBits();
1344       Value *CRD = CountRoundDown;
1345       if (CRDSize > IISize)
1346         CRD = CastInst::Create(Instruction::Trunc, CountRoundDown,
1347                                II.StartValue->getType(), "tr.crd",
1348                                LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1349       else if (CRDSize < IISize)
1350         CRD = CastInst::Create(Instruction::SExt, CountRoundDown,
1351                                II.StartValue->getType(),
1352                                "sext.crd",
1353                                LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1354       // Handle reverse integer induction counter:
1355       EndValue =
1356         BinaryOperator::CreateSub(II.StartValue, CRD, "rev.ind.end",
1357                                   LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1358       break;
1359     }
1360     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction: {
1361       // For pointer induction variables, calculate the offset using
1362       // the end index.
1363       EndValue =
1364         GetElementPtrInst::Create(II.StartValue, CountRoundDown, "ptr.ind.end",
1365                                   LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1366       break;
1367     }
1368     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction: {
1369       // The value at the end of the loop for the reverse pointer is calculated
1370       // by creating a GEP with a negative index starting from the start value.
1371       Value *Zero = ConstantInt::get(CountRoundDown->getType(), 0);
1372       Value *NegIdx = BinaryOperator::CreateSub(Zero, CountRoundDown,
1373                                   "rev.ind.end",
1374                                   LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1375       EndValue = GetElementPtrInst::Create(II.StartValue, NegIdx,
1376                                   "rev.ptr.ind.end",
1377                                   LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
1378       break;
1379     }
1380     }// end of case
1381
1382     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
1383     // or the value at the end of the vectorized loop.
1384     for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1385       ResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
1386     ResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
1387
1388     // Fix the scalar body counter (PHI node).
1389     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
1390     OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, ResumeVal);
1391   }
1392
1393   // If we are generating a new induction variable then we also need to
1394   // generate the code that calculates the exit value. This value is not
1395   // simply the end of the counter because we may skip the vectorized body
1396   // in case of a runtime check.
1397   if (!OldInduction){
1398     assert(!ResumeIndex && "Unexpected resume value found");
1399     ResumeIndex = PHINode::Create(IdxTy, 2, "new.indc.resume.val",
1400                                   MiddleBlock->getTerminator());
1401     for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1402       ResumeIndex->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
1403     ResumeIndex->addIncoming(IdxEndRoundDown, VecBody);
1404   }
1405
1406   // Make sure that we found the index where scalar loop needs to continue.
1407   assert(ResumeIndex && ResumeIndex->getType()->isIntegerTy() &&
1408          "Invalid resume Index");
1409
1410   // Add a check in the middle block to see if we have completed
1411   // all of the iterations in the first vector loop.
1412   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
1413   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, IdxEnd,
1414                                 ResumeIndex, "cmp.n",
1415                                 MiddleBlock->getTerminator());
1416
1417   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
1418   // Remove the old terminator.
1419   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
1420
1421   // Create i+1 and fill the PHINode.
1422   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
1423   Induction->addIncoming(StartIdx, VectorPH);
1424   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
1425   // Create the compare.
1426   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, IdxEndRoundDown);
1427   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
1428
1429   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
1430   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
1431
1432   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
1433   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
1434
1435   // Create and register the new vector loop.
1436   Loop* Lp = new Loop();
1437   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
1438
1439   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks.
1440   if (ParentLoop) {
1441     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
1442     for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1443       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(LoopBypassBlocks[I], LI->getBase());
1444     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, LI->getBase());
1445     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, LI->getBase());
1446     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, LI->getBase());
1447   } else {
1448     LI->addTopLevelLoop(Lp);
1449   }
1450
1451   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, LI->getBase());
1452
1453   // Save the state.
1454   LoopVectorPreHeader = VectorPH;
1455   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
1456   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
1457   LoopExitBlock = ExitBlock;
1458   LoopVectorBody = VecBody;
1459   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
1460 }
1461
1462 /// This function returns the identity element (or neutral element) for
1463 /// the operation K.
1464 static Constant*
1465 getReductionIdentity(LoopVectorizationLegality::ReductionKind K, Type *Tp,
1466                      CmpInst::Predicate Pred) {
1467   switch (K) {
1468   case LoopVectorizationLegality:: RK_IntegerXor:
1469   case LoopVectorizationLegality:: RK_IntegerAdd:
1470   case LoopVectorizationLegality:: RK_IntegerOr:
1471     // Adding, Xoring, Oring zero to a number does not change it.
1472     return ConstantInt::get(Tp, 0);
1473   case LoopVectorizationLegality:: RK_IntegerMult:
1474     // Multiplying a number by 1 does not change it.
1475     return ConstantInt::get(Tp, 1);
1476   case LoopVectorizationLegality:: RK_IntegerAnd:
1477     // AND-ing a number with an all-1 value does not change it.
1478     return ConstantInt::get(Tp, -1, true);
1479   case LoopVectorizationLegality:: RK_FloatMult:
1480     // Multiplying a number by 1 does not change it.
1481     return ConstantFP::get(Tp, 1.0L);
1482   case LoopVectorizationLegality:: RK_FloatAdd:
1483     // Adding zero to a number does not change it.
1484     return ConstantFP::get(Tp, 0.0L);
1485   case LoopVectorizationLegality:: RK_IntegerMinMax:
1486     switch(Pred) {
1487     default: llvm_unreachable("Unknown min/max predicate");
1488     case CmpInst::ICMP_ULT:
1489     case CmpInst::ICMP_ULE:
1490       return ConstantInt::getAllOnesValue(Tp);
1491     case CmpInst::ICMP_UGT:
1492     case CmpInst::ICMP_UGE:
1493       return ConstantInt::get(Tp, 0);
1494     case CmpInst::ICMP_SLT:
1495     case CmpInst::ICMP_SLE: {
1496       unsigned BitWidth = Tp->getPrimitiveSizeInBits();
1497       return ConstantInt::get(Tp->getContext(),
1498                               APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
1499     }
1500     case CmpInst::ICMP_SGT:
1501     case CmpInst::ICMP_SGE: {
1502       unsigned BitWidth = Tp->getPrimitiveSizeInBits();
1503       return ConstantInt::get(Tp->getContext(),
1504                               APInt::getSignedMinValue(BitWidth));
1505     }
1506     }
1507   default:
1508     llvm_unreachable("Unknown reduction kind");
1509   }
1510 }
1511
1512 static Intrinsic::ID
1513 getIntrinsicIDForCall(CallInst *CI, const TargetLibraryInfo *TLI) {
1514   // If we have an intrinsic call, check if it is trivially vectorizable.
1515   if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(CI)) {
1516     switch (II->getIntrinsicID()) {
1517     case Intrinsic::sqrt:
1518     case Intrinsic::sin:
1519     case Intrinsic::cos:
1520     case Intrinsic::exp:
1521     case Intrinsic::exp2:
1522     case Intrinsic::log:
1523     case Intrinsic::log10:
1524     case Intrinsic::log2:
1525     case Intrinsic::fabs:
1526     case Intrinsic::floor:
1527     case Intrinsic::ceil:
1528     case Intrinsic::trunc:
1529     case Intrinsic::rint:
1530     case Intrinsic::nearbyint:
1531     case Intrinsic::pow:
1532     case Intrinsic::fma:
1533     case Intrinsic::fmuladd:
1534       return II->getIntrinsicID();
1535     default:
1536       return Intrinsic::not_intrinsic;
1537     }
1538   }
1539
1540   if (!TLI)
1541     return Intrinsic::not_intrinsic;
1542
1543   LibFunc::Func Func;
1544   Function *F = CI->getCalledFunction();
1545   // We're going to make assumptions on the semantics of the functions, check
1546   // that the target knows that it's available in this environment.
1547   if (!F || !TLI->getLibFunc(F->getName(), Func))
1548     return Intrinsic::not_intrinsic;
1549
1550   // Otherwise check if we have a call to a function that can be turned into a
1551   // vector intrinsic.
1552   switch (Func) {
1553   default:
1554     break;
1555   case LibFunc::sin:
1556   case LibFunc::sinf:
1557   case LibFunc::sinl:
1558     return Intrinsic::sin;
1559   case LibFunc::cos:
1560   case LibFunc::cosf:
1561   case LibFunc::cosl:
1562     return Intrinsic::cos;
1563   case LibFunc::exp:
1564   case LibFunc::expf:
1565   case LibFunc::expl:
1566     return Intrinsic::exp;
1567   case LibFunc::exp2:
1568   case LibFunc::exp2f:
1569   case LibFunc::exp2l:
1570     return Intrinsic::exp2;
1571   case LibFunc::log:
1572   case LibFunc::logf:
1573   case LibFunc::logl:
1574     return Intrinsic::log;
1575   case LibFunc::log10:
1576   case LibFunc::log10f:
1577   case LibFunc::log10l:
1578     return Intrinsic::log10;
1579   case LibFunc::log2:
1580   case LibFunc::log2f:
1581   case LibFunc::log2l:
1582     return Intrinsic::log2;
1583   case LibFunc::fabs:
1584   case LibFunc::fabsf:
1585   case LibFunc::fabsl:
1586     return Intrinsic::fabs;
1587   case LibFunc::floor:
1588   case LibFunc::floorf:
1589   case LibFunc::floorl:
1590     return Intrinsic::floor;
1591   case LibFunc::ceil:
1592   case LibFunc::ceilf:
1593   case LibFunc::ceill:
1594     return Intrinsic::ceil;
1595   case LibFunc::trunc:
1596   case LibFunc::truncf:
1597   case LibFunc::truncl:
1598     return Intrinsic::trunc;
1599   case LibFunc::rint:
1600   case LibFunc::rintf:
1601   case LibFunc::rintl:
1602     return Intrinsic::rint;
1603   case LibFunc::nearbyint:
1604   case LibFunc::nearbyintf:
1605   case LibFunc::nearbyintl:
1606     return Intrinsic::nearbyint;
1607   case LibFunc::pow:
1608   case LibFunc::powf:
1609   case LibFunc::powl:
1610     return Intrinsic::pow;
1611   }
1612
1613   return Intrinsic::not_intrinsic;
1614 }
1615
1616 /// This function translates the reduction kind to an LLVM binary operator.
1617 static unsigned
1618 getReductionBinOp(LoopVectorizationLegality::ReductionKind Kind) {
1619   switch (Kind) {
1620     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAdd:
1621       return Instruction::Add;
1622     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMult:
1623       return Instruction::Mul;
1624     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerOr:
1625       return Instruction::Or;
1626     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAnd:
1627       return Instruction::And;
1628     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerXor:
1629       return Instruction::Xor;
1630     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMult:
1631       return Instruction::FMul;
1632     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatAdd:
1633       return Instruction::FAdd;
1634     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax:
1635       return Instruction::ICmp;
1636     default:
1637       llvm_unreachable("Unknown reduction operation");
1638   }
1639 }
1640
1641 Value *createMinMaxOp(IRBuilder<> &Builder, ICmpInst::Predicate P, Value *Left,
1642                       Value *Right) {
1643   Value *Cmp = Builder.CreateICmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
1644   Value *Select = Builder.CreateSelect(Cmp, Left, Right, "rdx.minmax.select");
1645   return Select;
1646 }
1647
1648 void
1649 InnerLoopVectorizer::vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
1650   //===------------------------------------------------===//
1651   //
1652   // Notice: any optimization or new instruction that go
1653   // into the code below should be also be implemented in
1654   // the cost-model.
1655   //
1656   //===------------------------------------------------===//
1657   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1658
1659   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
1660   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
1661   // stages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
1662   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
1663   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
1664   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
1665   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
1666   // construct the PHI.
1667   PhiVector RdxPHIsToFix;
1668
1669   // Scan the loop in a topological order to ensure that defs are vectorized
1670   // before users.
1671   LoopBlocksDFS DFS(OrigLoop);
1672   DFS.perform(LI);
1673
1674   // Vectorize all of the blocks in the original loop.
1675   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
1676        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb)
1677     vectorizeBlockInLoop(Legal, *bb, &RdxPHIsToFix);
1678
1679   // At this point every instruction in the original loop is widened to
1680   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
1681   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
1682   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
1683   // that we need to fix are reduction variables.
1684
1685   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
1686   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
1687   // after the loop is finished.
1688   for (PhiVector::iterator it = RdxPHIsToFix.begin(), e = RdxPHIsToFix.end();
1689        it != e; ++it) {
1690     PHINode *RdxPhi = *it;
1691     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
1692
1693     // Find the reduction variable descriptor.
1694     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
1695            "Unable to find the reduction variable");
1696     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
1697     (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
1698
1699     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
1700     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and overide
1701     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
1702     // to do it in the vector-loop preheader.
1703     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.front()->getTerminator());
1704
1705     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
1706     VectorParts &VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
1707     Type *VecTy = VectorExit[0]->getType();
1708
1709     // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
1710     // one for multiplication, -1 for And.
1711     Constant *Iden = getReductionIdentity(RdxDesc.Kind, VecTy->getScalarType(),
1712                                           RdxDesc.MinMaxPred);
1713     Constant *Identity = ConstantVector::getSplat(VF, Iden);
1714
1715     // This vector is the Identity vector where the first element is the
1716     // incoming scalar reduction.
1717     Value *VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
1718                                                      RdxDesc.StartValue, Zero);
1719
1720     // Fix the vector-loop phi.
1721     // We created the induction variable so we know that the
1722     // preheader is the first entry.
1723     BasicBlock *VecPreheader = Induction->getIncomingBlock(0);
1724
1725     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
1726     // any loop invariant values.
1727     VectorParts &VecRdxPhi = WidenMap.get(RdxPhi);
1728     BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
1729     Value *LoopVal = RdxPhi->getIncomingValueForBlock(Latch);
1730     VectorParts &Val = getVectorValue(LoopVal);
1731     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
1732       // Make sure to add the reduction stat value only to the 
1733       // first unroll part.
1734       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
1735       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(StartVal, VecPreheader);
1736       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(Val[part], LoopVectorBody);
1737     }
1738
1739     // Before each round, move the insertion point right between
1740     // the PHIs and the values we are going to write.
1741     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
1742     // instructions.
1743     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
1744
1745     VectorParts RdxParts;
1746     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
1747       // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
1748       // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
1749       VectorParts &RdxExitVal = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
1750       PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
1751       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
1752       for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
1753         NewPhi->addIncoming(StartVal, LoopBypassBlocks[I]);
1754       NewPhi->addIncoming(RdxExitVal[part], LoopVectorBody);
1755       RdxParts.push_back(NewPhi);
1756     }
1757
1758     // Reduce all of the unrolled parts into a single vector.
1759     Value *ReducedPartRdx = RdxParts[0];
1760     unsigned Op = getReductionBinOp(RdxDesc.Kind);
1761     for (unsigned part = 1; part < UF; ++part) {
1762       if (Op != Instruction::ICmp)
1763         ReducedPartRdx = Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op,
1764                                              RdxParts[part], ReducedPartRdx,
1765                                              "bin.rdx");
1766       else
1767         ReducedPartRdx = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxPred,
1768                                         ReducedPartRdx, RdxParts[part]);
1769     }
1770
1771     // VF is a power of 2 so we can emit the reduction using log2(VF) shuffles
1772     // and vector ops, reducing the set of values being computed by half each
1773     // round.
1774     assert(isPowerOf2_32(VF) &&
1775            "Reduction emission only supported for pow2 vectors!");
1776     Value *TmpVec = ReducedPartRdx;
1777     SmallVector<Constant*, 32> ShuffleMask(VF, 0);
1778     for (unsigned i = VF; i != 1; i >>= 1) {
1779       // Move the upper half of the vector to the lower half.
1780       for (unsigned j = 0; j != i/2; ++j)
1781         ShuffleMask[j] = Builder.getInt32(i/2 + j);
1782
1783       // Fill the rest of the mask with undef.
1784       std::fill(&ShuffleMask[i/2], ShuffleMask.end(),
1785                 UndefValue::get(Builder.getInt32Ty()));
1786
1787       Value *Shuf =
1788         Builder.CreateShuffleVector(TmpVec,
1789                                     UndefValue::get(TmpVec->getType()),
1790                                     ConstantVector::get(ShuffleMask),
1791                                     "rdx.shuf");
1792
1793       if (Op != Instruction::ICmp)
1794         TmpVec = Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op, TmpVec, Shuf,
1795                                      "bin.rdx");
1796       else
1797         TmpVec = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxPred, TmpVec, Shuf);
1798     }
1799
1800     // The result is in the first element of the vector.
1801     Value *Scalar0 = Builder.CreateExtractElement(TmpVec, Builder.getInt32(0));
1802
1803     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
1804     // inside and outside of the scalar remainder loop.
1805     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
1806     // PHI nodes in the exit blocks.
1807     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
1808          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
1809       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
1810       if (!LCSSAPhi) continue;
1811
1812       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
1813       // we already fixed them.
1814       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
1815
1816       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
1817       // incoming bypass edge.
1818       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
1819         // Add an edge coming from the bypass.
1820         LCSSAPhi->addIncoming(Scalar0, LoopMiddleBlock);
1821         break;
1822       }
1823     }// end of the LCSSA phi scan.
1824
1825     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
1826     // from the vector body and from the backedge value.
1827     int IncomingEdgeBlockIdx =
1828     (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(OrigLoop->getLoopLatch());
1829     assert(IncomingEdgeBlockIdx >= 0 && "Invalid block index");
1830     // Pick the other block.
1831     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1);
1832     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, Scalar0);
1833     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
1834   }// end of for each redux variable.
1835
1836   // The Loop exit block may have single value PHI nodes where the incoming
1837   // value is 'undef'. While vectorizing we only handled real values that
1838   // were defined inside the loop. Here we handle the 'undef case'.
1839   // See PR14725.
1840   for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
1841        LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
1842     PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
1843     if (!LCSSAPhi) continue;
1844     if (LCSSAPhi->getNumIncomingValues() == 1)
1845       LCSSAPhi->addIncoming(UndefValue::get(LCSSAPhi->getType()),
1846                             LoopMiddleBlock);
1847   }
1848 }
1849
1850 InnerLoopVectorizer::VectorParts
1851 InnerLoopVectorizer::createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst) {
1852   assert(std::find(pred_begin(Dst), pred_end(Dst), Src) != pred_end(Dst) &&
1853          "Invalid edge");
1854
1855   VectorParts SrcMask = createBlockInMask(Src);
1856
1857   // The terminator has to be a branch inst!
1858   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Src->getTerminator());
1859   assert(BI && "Unexpected terminator found");
1860
1861   if (BI->isConditional()) {
1862     VectorParts EdgeMask = getVectorValue(BI->getCondition());
1863
1864     if (BI->getSuccessor(0) != Dst)
1865       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
1866         EdgeMask[part] = Builder.CreateNot(EdgeMask[part]);
1867
1868     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
1869       EdgeMask[part] = Builder.CreateAnd(EdgeMask[part], SrcMask[part]);
1870     return EdgeMask;
1871   }
1872
1873   return SrcMask;
1874 }
1875
1876 InnerLoopVectorizer::VectorParts
1877 InnerLoopVectorizer::createBlockInMask(BasicBlock *BB) {
1878   assert(OrigLoop->contains(BB) && "Block is not a part of a loop");
1879
1880   // Loop incoming mask is all-one.
1881   if (OrigLoop->getHeader() == BB) {
1882     Value *C = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 1);
1883     return getVectorValue(C);
1884   }
1885
1886   // This is the block mask. We OR all incoming edges, and with zero.
1887   Value *Zero = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 0);
1888   VectorParts BlockMask = getVectorValue(Zero);
1889
1890   // For each pred:
1891   for (pred_iterator it = pred_begin(BB), e = pred_end(BB); it != e; ++it) {
1892     VectorParts EM = createEdgeMask(*it, BB);
1893     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
1894       BlockMask[part] = Builder.CreateOr(BlockMask[part], EM[part]);
1895   }
1896
1897   return BlockMask;
1898 }
1899
1900 void
1901 InnerLoopVectorizer::vectorizeBlockInLoop(LoopVectorizationLegality *Legal,
1902                                           BasicBlock *BB, PhiVector *PV) {
1903   // For each instruction in the old loop.
1904   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
1905     VectorParts &Entry = WidenMap.get(it);
1906     switch (it->getOpcode()) {
1907     case Instruction::Br:
1908       // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
1909       // loop control flow instructions.
1910       continue;
1911     case Instruction::PHI:{
1912       PHINode* P = cast<PHINode>(it);
1913       // Handle reduction variables:
1914       if (Legal->getReductionVars()->count(P)) {
1915         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
1916           // This is phase one of vectorizing PHIs.
1917           Type *VecTy = VectorType::get(it->getType(), VF);
1918           Entry[part] = PHINode::Create(VecTy, 2, "vec.phi",
1919                                         LoopVectorBody-> getFirstInsertionPt());
1920         }
1921         PV->push_back(P);
1922         continue;
1923       }
1924
1925       // Check for PHI nodes that are lowered to vector selects.
1926       if (P->getParent() != OrigLoop->getHeader()) {
1927         // We know that all PHIs in non header blocks are converted into
1928         // selects, so we don't have to worry about the insertion order and we
1929         // can just use the builder.
1930
1931         // At this point we generate the predication tree. There may be
1932         // duplications since this is a simple recursive scan, but future
1933         // optimizations will clean it up.
1934         VectorParts Cond = createEdgeMask(P->getIncomingBlock(0),
1935                                                P->getParent());
1936
1937         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
1938         VectorParts &In0 = getVectorValue(P->getIncomingValue(0));
1939         VectorParts &In1 = getVectorValue(P->getIncomingValue(1));
1940           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part], In1[part],
1941                                              "predphi");
1942         }
1943         continue;
1944       }
1945
1946       // This PHINode must be an induction variable.
1947       // Make sure that we know about it.
1948       assert(Legal->getInductionVars()->count(P) &&
1949              "Not an induction variable");
1950
1951       LoopVectorizationLegality::InductionInfo II =
1952         Legal->getInductionVars()->lookup(P);
1953
1954       switch (II.IK) {
1955       case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
1956         llvm_unreachable("Unknown induction");
1957       case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
1958         assert(P == OldInduction && "Unexpected PHI");
1959         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(Induction);
1960         // After broadcasting the induction variable we need to make the
1961         // vector consecutive by adding 0, 1, 2 ...
1962         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
1963           Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * part, false);
1964         continue;
1965       }
1966       case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction:
1967       case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction:
1968       case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction:
1969         // Handle reverse integer and pointer inductions.
1970         Value *StartIdx = 0;
1971         // If we have a single integer induction variable then use it.
1972         // Otherwise, start counting at zero.
1973         if (OldInduction) {
1974           LoopVectorizationLegality::InductionInfo OldII =
1975             Legal->getInductionVars()->lookup(OldInduction);
1976           StartIdx = OldII.StartValue;
1977         } else {
1978           StartIdx = ConstantInt::get(Induction->getType(), 0);
1979         }
1980         // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
1981         Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, StartIdx,
1982                                                  "normalized.idx");
1983
1984         // Handle the reverse integer induction variable case.
1985         if (LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction == II.IK) {
1986           IntegerType *DstTy = cast<IntegerType>(II.StartValue->getType());
1987           Value *CNI = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, DstTy,
1988                                                  "resize.norm.idx");
1989           Value *ReverseInd  = Builder.CreateSub(II.StartValue, CNI,
1990                                                  "reverse.idx");
1991
1992           // This is a new value so do not hoist it out.
1993           Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ReverseInd);
1994           // After broadcasting the induction variable we need to make the
1995           // vector consecutive by adding  ... -3, -2, -1, 0.
1996           for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
1997             Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, -VF * part, true);
1998           continue;
1999         }
2000
2001         // Handle the pointer induction variable case.
2002         assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
2003
2004         // Is this a reverse induction ptr or a consecutive induction ptr.
2005         bool Reverse = (LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction ==
2006                         II.IK);
2007
2008         // This is the vector of results. Notice that we don't generate
2009         // vector geps because scalar geps result in better code.
2010         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2011           Value *VecVal = UndefValue::get(VectorType::get(P->getType(), VF));
2012           for (unsigned int i = 0; i < VF; ++i) {
2013             int EltIndex = (i + part * VF) * (Reverse ? -1 : 1);
2014             Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
2015             Value *GlobalIdx;
2016             if (!Reverse)
2017               GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
2018             else
2019               GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
2020
2021             Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
2022                                                "next.gep");
2023             VecVal = Builder.CreateInsertElement(VecVal, SclrGep,
2024                                                  Builder.getInt32(i),
2025                                                  "insert.gep");
2026           }
2027           Entry[part] = VecVal;
2028         }
2029         continue;
2030       }
2031
2032     }// End of PHI.
2033
2034     case Instruction::Add:
2035     case Instruction::FAdd:
2036     case Instruction::Sub:
2037     case Instruction::FSub:
2038     case Instruction::Mul:
2039     case Instruction::FMul:
2040     case Instruction::UDiv:
2041     case Instruction::SDiv:
2042     case Instruction::FDiv:
2043     case Instruction::URem:
2044     case Instruction::SRem:
2045     case Instruction::FRem:
2046     case Instruction::Shl:
2047     case Instruction::LShr:
2048     case Instruction::AShr:
2049     case Instruction::And:
2050     case Instruction::Or:
2051     case Instruction::Xor: {
2052       // Just widen binops.
2053       BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(it);
2054       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2055       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
2056
2057       // Use this vector value for all users of the original instruction.
2058       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2059         Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A[Part], B[Part]);
2060
2061         // Update the NSW, NUW and Exact flags. Notice: V can be an Undef.
2062         BinaryOperator *VecOp = dyn_cast<BinaryOperator>(V);
2063         if (VecOp && isa<OverflowingBinaryOperator>(BinOp)) {
2064           VecOp->setHasNoSignedWrap(BinOp->hasNoSignedWrap());
2065           VecOp->setHasNoUnsignedWrap(BinOp->hasNoUnsignedWrap());
2066         }
2067         if (VecOp && isa<PossiblyExactOperator>(VecOp))
2068           VecOp->setIsExact(BinOp->isExact());
2069
2070         Entry[Part] = V;
2071       }
2072       break;
2073     }
2074     case Instruction::Select: {
2075       // Widen selects.
2076       // If the selector is loop invariant we can create a select
2077       // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
2078       bool InvariantCond = SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(it->getOperand(0)),
2079                                                OrigLoop);
2080
2081       // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
2082       // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
2083       // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
2084       // Instcombine will make this a no-op.
2085       VectorParts &Cond = getVectorValue(it->getOperand(0));
2086       VectorParts &Op0  = getVectorValue(it->getOperand(1));
2087       VectorParts &Op1  = getVectorValue(it->getOperand(2));
2088       Value *ScalarCond = Builder.CreateExtractElement(Cond[0],
2089                                                        Builder.getInt32(0));
2090       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2091         Entry[Part] = Builder.CreateSelect(
2092           InvariantCond ? ScalarCond : Cond[Part],
2093           Op0[Part],
2094           Op1[Part]);
2095       }
2096       break;
2097     }
2098
2099     case Instruction::ICmp:
2100     case Instruction::FCmp: {
2101       // Widen compares. Generate vector compares.
2102       bool FCmp = (it->getOpcode() == Instruction::FCmp);
2103       CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(it);
2104       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2105       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
2106       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2107         Value *C = 0;
2108         if (FCmp)
2109           C = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
2110         else
2111           C = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
2112         Entry[Part] = C;
2113       }
2114       break;
2115     }
2116
2117     case Instruction::Store:
2118     case Instruction::Load:
2119         vectorizeMemoryInstruction(it, Legal);
2120         break;
2121     case Instruction::ZExt:
2122     case Instruction::SExt:
2123     case Instruction::FPToUI:
2124     case Instruction::FPToSI:
2125     case Instruction::FPExt:
2126     case Instruction::PtrToInt:
2127     case Instruction::IntToPtr:
2128     case Instruction::SIToFP:
2129     case Instruction::UIToFP:
2130     case Instruction::Trunc:
2131     case Instruction::FPTrunc:
2132     case Instruction::BitCast: {
2133       CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(it);
2134       /// Optimize the special case where the source is the induction
2135       /// variable. Notice that we can only optimize the 'trunc' case
2136       /// because: a. FP conversions lose precision, b. sext/zext may wrap,
2137       /// c. other casts depend on pointer size.
2138       if (CI->getOperand(0) == OldInduction &&
2139           it->getOpcode() == Instruction::Trunc) {
2140         Value *ScalarCast = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), Induction,
2141                                                CI->getType());
2142         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ScalarCast);
2143         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
2144           Entry[Part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * Part, false);
2145         break;
2146       }
2147       /// Vectorize casts.
2148       Type *DestTy = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
2149
2150       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
2151       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
2152         Entry[Part] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A[Part], DestTy);
2153       break;
2154     }
2155
2156     case Instruction::Call: {
2157       // Ignore dbg intrinsics.
2158       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
2159         break;
2160
2161       Module *M = BB->getParent()->getParent();
2162       CallInst *CI = cast<CallInst>(it);
2163       Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
2164       assert(ID && "Not an intrinsic call!");
2165       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2166         SmallVector<Value*, 4> Args;
2167         for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i) {
2168           VectorParts &Arg = getVectorValue(CI->getArgOperand(i));
2169           Args.push_back(Arg[Part]);
2170         }
2171         Type *Tys[] = { VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF) };
2172         Function *F = Intrinsic::getDeclaration(M, ID, Tys);
2173         Entry[Part] = Builder.CreateCall(F, Args);
2174       }
2175       break;
2176     }
2177
2178     default:
2179       // All other instructions are unsupported. Scalarize them.
2180       scalarizeInstruction(it);
2181       break;
2182     }// end of switch.
2183   }// end of for_each instr.
2184 }
2185
2186 void InnerLoopVectorizer::updateAnalysis() {
2187   // Forget the original basic block.
2188   SE->forgetLoop(OrigLoop);
2189
2190   // Update the dominator tree information.
2191   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlocks.front(), LoopExitBlock) &&
2192          "Entry does not dominate exit.");
2193
2194   for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2195     DT->addNewBlock(LoopBypassBlocks[I], LoopBypassBlocks[I-1]);
2196   DT->addNewBlock(LoopVectorPreHeader, LoopBypassBlocks.back());
2197   DT->addNewBlock(LoopVectorBody, LoopVectorPreHeader);
2198   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock, LoopBypassBlocks.front());
2199   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopMiddleBlock);
2200   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
2201   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopMiddleBlock);
2202
2203   DEBUG(DT->verifyAnalysis());
2204 }
2205
2206 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeWithIfConvert() {
2207   if (!EnableIfConversion)
2208     return false;
2209
2210   assert(TheLoop->getNumBlocks() > 1 && "Single block loops are vectorizable");
2211   std::vector<BasicBlock*> &LoopBlocks = TheLoop->getBlocksVector();
2212
2213   // Collect the blocks that need predication.
2214   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i < e; ++i) {
2215     BasicBlock *BB = LoopBlocks[i];
2216
2217     // We don't support switch statements inside loops.
2218     if (!isa<BranchInst>(BB->getTerminator()))
2219       return false;
2220
2221     // We must have at most two predecessors because we need to convert
2222     // all PHIs to selects.
2223     unsigned Preds = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB));
2224     if (Preds > 2)
2225       return false;
2226
2227     // We must be able to predicate all blocks that need to be predicated.
2228     if (blockNeedsPredication(BB) && !blockCanBePredicated(BB))
2229       return false;
2230   }
2231
2232   // We can if-convert this loop.
2233   return true;
2234 }
2235
2236 bool LoopVectorizationLegality::canVectorize() {
2237   assert(TheLoop->getLoopPreheader() && "No preheader!!");
2238
2239   // We can only vectorize innermost loops.
2240   if (TheLoop->getSubLoopsVector().size())
2241     return false;
2242
2243   // We must have a single backedge.
2244   if (TheLoop->getNumBackEdges() != 1)
2245     return false;
2246
2247   // We must have a single exiting block.
2248   if (!TheLoop->getExitingBlock())
2249     return false;
2250
2251   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
2252
2253   // Check if we can if-convert non single-bb loops.
2254   if (NumBlocks != 1 && !canVectorizeWithIfConvert()) {
2255     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't if-convert the loop.\n");
2256     return false;
2257   }
2258
2259   // We need to have a loop header.
2260   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
2261   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " <<
2262         TheLoop->getHeader()->getName() << "\n");
2263
2264   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
2265   const SCEV *ExitCount = SE->getExitCount(TheLoop, Latch);
2266   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
2267     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
2268     return false;
2269   }
2270
2271   // Do not loop-vectorize loops with a tiny trip count.
2272   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop, Latch);
2273   if (TC > 0u && TC < TinyTripCountVectorThreshold) {
2274     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. " <<
2275           "This loop is not worth vectorizing.\n");
2276     return false;
2277   }
2278
2279   // Check if we can vectorize the instructions and CFG in this loop.
2280   if (!canVectorizeInstrs()) {
2281     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize the instructions or CFG\n");
2282     return false;
2283   }
2284
2285   // Go over each instruction and look at memory deps.
2286   if (!canVectorizeMemory()) {
2287     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize due to memory conflicts\n");
2288     return false;
2289   }
2290
2291   // Collect all of the variables that remain uniform after vectorization.
2292   collectLoopUniforms();
2293
2294   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop" <<
2295         (PtrRtCheck.Need ? " (with a runtime bound check)" : "")
2296         <<"!\n");
2297
2298   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
2299   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return true with
2300   // no restrictions.
2301   return true;
2302 }
2303
2304 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeInstrs() {
2305   BasicBlock *PreHeader = TheLoop->getLoopPreheader();
2306   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
2307
2308   // If we marked the scalar loop as "already vectorized" then no need
2309   // to vectorize it again.
2310   if (Header->getTerminator()->getMetadata(AlreadyVectorizedMDName)) {
2311     DEBUG(dbgs() << "LV: This loop was vectorized before\n");
2312     return false;
2313   }
2314
2315   // For each block in the loop.
2316   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
2317        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
2318
2319     // Scan the instructions in the block and look for hazards.
2320     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
2321          ++it) {
2322
2323       if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(it)) {
2324         // This should not happen because the loop should be normalized.
2325         if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
2326           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
2327           return false;
2328         }
2329
2330         // Check that this PHI type is allowed.
2331         if (!Phi->getType()->isIntegerTy() &&
2332             !Phi->getType()->isFloatingPointTy() &&
2333             !Phi->getType()->isPointerTy()) {
2334           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int non-pointer PHI.\n");
2335           return false;
2336         }
2337
2338         // If this PHINode is not in the header block, then we know that we
2339         // can convert it to select during if-conversion. No need to check if
2340         // the PHIs in this block are induction or reduction variables.
2341         if (*bb != Header)
2342           continue;
2343
2344         // This is the value coming from the preheader.
2345         Value *StartValue = Phi->getIncomingValueForBlock(PreHeader);
2346         // Check if this is an induction variable.
2347         InductionKind IK = isInductionVariable(Phi);
2348
2349         if (IK_NoInduction != IK) {
2350           // Int inductions are special because we only allow one IV.
2351           if (IK == IK_IntInduction) {
2352             if (Induction) {
2353               DEBUG(dbgs() << "LV: Found too many inductions."<< *Phi <<"\n");
2354               return false;
2355             }
2356             Induction = Phi;
2357           }
2358
2359           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an induction variable.\n");
2360           Inductions[Phi] = InductionInfo(StartValue, IK);
2361           continue;
2362         }
2363
2364         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAdd)) {
2365           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2366           continue;
2367         }
2368         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMult)) {
2369           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MUL reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2370           continue;
2371         }
2372         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerOr)) {
2373           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an OR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2374           continue;
2375         }
2376         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAnd)) {
2377           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an AND reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2378           continue;
2379         }
2380         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerXor)) {
2381           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a XOR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2382           continue;
2383         }
2384         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMinMax)) {
2385           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2386           continue;
2387         }
2388         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMult)) {
2389           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FMult reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2390           continue;
2391         }
2392         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatAdd)) {
2393           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FAdd reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
2394           continue;
2395         }
2396
2397         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
2398         return false;
2399       }// end of PHI handling
2400
2401       // We still don't handle functions. However, we can ignore dbg intrinsic
2402       // calls and we do handle certain intrinsic and libm functions.
2403       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(it);
2404       if (CI && !getIntrinsicIDForCall(CI, TLI) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(CI)) {
2405         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site.\n");
2406         return false;
2407       }
2408
2409       // Check that the instruction return type is vectorizable.
2410       if (!VectorType::isValidElementType(it->getType()) &&
2411           !it->getType()->isVoidTy()) {
2412         DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type." << "\n");
2413         return false;
2414       }
2415
2416       // Check that the stored type is vectorizable.
2417       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it)) {
2418         Type *T = ST->getValueOperand()->getType();
2419         if (!VectorType::isValidElementType(T))
2420           return false;
2421       }
2422
2423       // Reduction instructions are allowed to have exit users.
2424       // All other instructions must not have external users.
2425       if (!AllowedExit.count(it))
2426         //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
2427         for (Value::use_iterator I = it->use_begin(), E = it->use_end();
2428              I != E; ++I) {
2429           Instruction *U = cast<Instruction>(*I);
2430           // This user may be a reduction exit value.
2431           if (!TheLoop->contains(U)) {
2432             DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : "<< *U << "\n");
2433             return false;
2434           }
2435         }
2436     } // next instr.
2437
2438   }
2439
2440   if (!Induction) {
2441     DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find one integer induction var.\n");
2442     assert(getInductionVars()->size() && "No induction variables");
2443   }
2444
2445   return true;
2446 }
2447
2448 void LoopVectorizationLegality::collectLoopUniforms() {
2449   // We now know that the loop is vectorizable!
2450   // Collect variables that will remain uniform after vectorization.
2451   std::vector<Value*> Worklist;
2452   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
2453
2454   // Start with the conditional branch and walk up the block.
2455   Worklist.push_back(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
2456
2457   while (Worklist.size()) {
2458     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.back());
2459     Worklist.pop_back();
2460
2461     // Look at instructions inside this loop.
2462     // Stop when reaching PHI nodes.
2463     // TODO: we need to follow values all over the loop, not only in this block.
2464     if (!I || !TheLoop->contains(I) || isa<PHINode>(I))
2465       continue;
2466
2467     // This is a known uniform.
2468     Uniforms.insert(I);
2469
2470     // Insert all operands.
2471     for (int i = 0, Op = I->getNumOperands(); i < Op; ++i) {
2472       Worklist.push_back(I->getOperand(i));
2473     }
2474   }
2475 }
2476
2477 AliasAnalysis::Location
2478 LoopVectorizationLegality::getLoadStoreLocation(Instruction *Inst) {
2479   if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
2480     return AA->getLocation(Store);
2481   else if (LoadInst *Load = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
2482     return AA->getLocation(Load);
2483
2484   llvm_unreachable("Should be either load or store instruction");
2485 }
2486
2487 bool
2488 LoopVectorizationLegality::hasPossibleGlobalWriteReorder(
2489                                                 Value *Object,
2490                                                 Instruction *Inst,
2491                                                 AliasMultiMap& WriteObjects,
2492                                                 unsigned MaxByteWidth) {
2493
2494   AliasAnalysis::Location ThisLoc = getLoadStoreLocation(Inst);
2495
2496   std::vector<Instruction*>::iterator
2497               it = WriteObjects[Object].begin(),
2498               end = WriteObjects[Object].end();
2499
2500   for (; it != end; ++it) {
2501     Instruction* I = *it;
2502     if (I == Inst)
2503       continue;
2504
2505     AliasAnalysis::Location ThatLoc = getLoadStoreLocation(I);
2506     if (AA->alias(ThisLoc.getWithNewSize(MaxByteWidth),
2507                   ThatLoc.getWithNewSize(MaxByteWidth)))
2508       return true;
2509   }
2510   return false;
2511 }
2512
2513 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory() {
2514
2515   if (TheLoop->isAnnotatedParallel()) {
2516     DEBUG(dbgs()
2517           << "LV: A loop annotated parallel, ignore memory dependency "
2518           << "checks.\n");
2519     return true;
2520   }
2521
2522   typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
2523   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
2524   // Holds the Load and Store *instructions*.
2525   ValueVector Loads;
2526   ValueVector Stores;
2527   PtrRtCheck.Pointers.clear();
2528   PtrRtCheck.Need = false;
2529
2530   // For each block.
2531   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
2532        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
2533
2534     // Scan the BB and collect legal loads and stores.
2535     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
2536          ++it) {
2537
2538       // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
2539       // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
2540       // calls that read or write.
2541       if (it->mayReadFromMemory()) {
2542         LoadInst *Ld = dyn_cast<LoadInst>(it);
2543         if (!Ld) return false;
2544         if (!Ld->isSimple()) {
2545           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple load.\n");
2546           return false;
2547         }
2548         Loads.push_back(Ld);
2549         continue;
2550       }
2551
2552       // Save 'store' instructions. Abort if other instructions write to memory.
2553       if (it->mayWriteToMemory()) {
2554         StoreInst *St = dyn_cast<StoreInst>(it);
2555         if (!St) return false;
2556         if (!St->isSimple()) {
2557           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple store.\n");
2558           return false;
2559         }
2560         Stores.push_back(St);
2561       }
2562     } // next instr.
2563   } // next block.
2564
2565   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
2566   // Next, we find the pointers that they use.
2567
2568   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
2569   // care if the pointers are *restrict*.
2570   if (!Stores.size()) {
2571     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a read-only loop!\n");
2572     return true;
2573   }
2574
2575   // Holds the read and read-write *pointers* that we find. These maps hold
2576   // unique values for pointers (so no need for multi-map).
2577   AliasMap Reads;
2578   AliasMap ReadWrites;
2579
2580   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
2581   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
2582   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
2583   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
2584   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
2585   ValueSet Seen;
2586
2587   ValueVector::iterator I, IE;
2588   for (I = Stores.begin(), IE = Stores.end(); I != IE; ++I) {
2589     StoreInst *ST = cast<StoreInst>(*I);
2590     Value* Ptr = ST->getPointerOperand();
2591
2592     if (isUniform(Ptr)) {
2593       DEBUG(dbgs() << "LV: We don't allow storing to uniform addresses\n");
2594       return false;
2595     }
2596
2597     // If we did *not* see this pointer before, insert it to
2598     // the read-write list. At this phase it is only a 'write' list.
2599     if (Seen.insert(Ptr))
2600       ReadWrites.insert(std::make_pair(Ptr, ST));
2601   }
2602
2603   for (I = Loads.begin(), IE = Loads.end(); I != IE; ++I) {
2604     LoadInst *LD = cast<LoadInst>(*I);
2605     Value* Ptr = LD->getPointerOperand();
2606     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
2607     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
2608     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
2609     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
2610     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
2611     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
2612     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
2613     // words may be written to the same address.
2614     if (Seen.insert(Ptr) || 0 == isConsecutivePtr(Ptr))
2615       Reads.insert(std::make_pair(Ptr, LD));
2616   }
2617
2618   // If we write (or read-write) to a single destination and there are no
2619   // other reads in this loop then is it safe to vectorize.
2620   if (ReadWrites.size() == 1 && Reads.size() == 0) {
2621     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a write-only loop!\n");
2622     return true;
2623   }
2624
2625   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
2626   // to place a runtime bound check.
2627   bool CanDoRT = true;
2628   AliasMap::iterator MI, ME;
2629   for (MI = ReadWrites.begin(), ME = ReadWrites.end(); MI != ME; ++MI) {
2630     Value *V = (*MI).first;
2631     if (hasComputableBounds(V)) {
2632       PtrRtCheck.insert(SE, TheLoop, V);
2633       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << *V <<"\n");
2634     } else {
2635       CanDoRT = false;
2636       break;
2637     }
2638   }
2639   for (MI = Reads.begin(), ME = Reads.end(); MI != ME; ++MI) {
2640     Value *V = (*MI).first;
2641     if (hasComputableBounds(V)) {
2642       PtrRtCheck.insert(SE, TheLoop, V);
2643       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << *V <<"\n");
2644     } else {
2645       CanDoRT = false;
2646       break;
2647     }
2648   }
2649
2650   // Check that we did not collect too many pointers or found a
2651   // unsizeable pointer.
2652   if (!CanDoRT || PtrRtCheck.Pointers.size() > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
2653     PtrRtCheck.reset();
2654     CanDoRT = false;
2655   }
2656
2657   if (CanDoRT) {
2658     DEBUG(dbgs() << "LV: We can perform a memory runtime check if needed.\n");
2659   }
2660
2661   bool NeedRTCheck = false;
2662
2663   // Biggest vectorized access possible, vector width * unroll factor.
2664   // TODO: We're being very pessimistic here, find a way to know the
2665   // real access width before getting here.
2666   unsigned MaxByteWidth = (TTI->getRegisterBitWidth(true) / 8) *
2667                            TTI->getMaximumUnrollFactor();
2668   // Now that the pointers are in two lists (Reads and ReadWrites), we
2669   // can check that there are no conflicts between each of the writes and
2670   // between the writes to the reads.
2671   // Note that WriteObjects duplicates the stores (indexed now by underlying
2672   // objects) to avoid pointing to elements inside ReadWrites.
2673   // TODO: Maybe create a new type where they can interact without duplication.
2674   AliasMultiMap WriteObjects;
2675   ValueVector TempObjects;
2676
2677   // Check that the read-writes do not conflict with other read-write
2678   // pointers.
2679   bool AllWritesIdentified = true;
2680   for (MI = ReadWrites.begin(), ME = ReadWrites.end(); MI != ME; ++MI) {
2681     Value *Val = (*MI).first;
2682     Instruction *Inst = (*MI).second;
2683
2684     GetUnderlyingObjects(Val, TempObjects, DL);
2685     for (ValueVector::iterator UI=TempObjects.begin(), UE=TempObjects.end();
2686          UI != UE; ++UI) {
2687       if (!isIdentifiedObject(*UI)) {
2688         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified write ptr:"<< **UI <<"\n");
2689         NeedRTCheck = true;
2690         AllWritesIdentified = false;
2691       }
2692
2693       // Never seen it before, can't alias.
2694       if (WriteObjects[*UI].empty()) {
2695         DEBUG(dbgs() << "LV: Adding Underlying value:" << **UI <<"\n");
2696         WriteObjects[*UI].push_back(Inst);
2697         continue;
2698       }
2699       // Direct alias found.
2700       if (!AA || dyn_cast<GlobalValue>(*UI) == NULL) {
2701         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible write-write reorder:"
2702               << **UI <<"\n");
2703         return false;
2704       }
2705       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a conflicting global value:"
2706             << **UI <<"\n");
2707       DEBUG(dbgs() << "LV: While examining store:" << *Inst <<"\n");
2708       DEBUG(dbgs() << "LV: On value:" << *Val <<"\n");
2709
2710       // If global alias, make sure they do alias.
2711       if (hasPossibleGlobalWriteReorder(*UI,
2712                                         Inst,
2713                                         WriteObjects,
2714                                         MaxByteWidth)) {
2715         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible write-write reorder:"
2716               << *UI <<"\n");
2717         return false;
2718       }
2719
2720       // Didn't alias, insert into map for further reference.
2721       WriteObjects[*UI].push_back(Inst);
2722     }
2723     TempObjects.clear();
2724   }
2725
2726   /// Check that the reads don't conflict with the read-writes.
2727   for (MI = Reads.begin(), ME = Reads.end(); MI != ME; ++MI) {
2728     Value *Val = (*MI).first;
2729     GetUnderlyingObjects(Val, TempObjects, DL);
2730     for (ValueVector::iterator UI=TempObjects.begin(), UE=TempObjects.end();
2731          UI != UE; ++UI) {
2732       // If all of the writes are identified then we don't care if the read
2733       // pointer is identified or not.
2734       if (!AllWritesIdentified && !isIdentifiedObject(*UI)) {
2735         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified read ptr:"<< **UI <<"\n");
2736         NeedRTCheck = true;
2737       }
2738
2739       // Never seen it before, can't alias.
2740       if (WriteObjects[*UI].empty())
2741         continue;
2742       // Direct alias found.
2743       if (!AA || dyn_cast<GlobalValue>(*UI) == NULL) {
2744         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible write-write reorder:"
2745               << **UI <<"\n");
2746         return false;
2747       }
2748       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a global value:  "
2749             << **UI <<"\n");
2750       Instruction *Inst = (*MI).second;
2751       DEBUG(dbgs() << "LV: While examining load:" << *Inst <<"\n");
2752       DEBUG(dbgs() << "LV: On value:" << *Val <<"\n");
2753
2754       // If global alias, make sure they do alias.
2755       if (hasPossibleGlobalWriteReorder(*UI,
2756                                         Inst,
2757                                         WriteObjects,
2758                                         MaxByteWidth)) {
2759         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible read-write reorder:"
2760               << *UI <<"\n");
2761         return false;
2762       }
2763     }
2764     TempObjects.clear();
2765   }
2766
2767   PtrRtCheck.Need = NeedRTCheck;
2768   if (NeedRTCheck && !CanDoRT) {
2769     DEBUG(dbgs() << "LV: We can't vectorize because we can't find " <<
2770           "the array bounds.\n");
2771     PtrRtCheck.reset();
2772     return false;
2773   }
2774
2775   DEBUG(dbgs() << "LV: We "<< (NeedRTCheck ? "" : "don't") <<
2776         " need a runtime memory check.\n");
2777   return true;
2778 }
2779
2780 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
2781                                                 ReductionKind Kind) {
2782   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
2783     return false;
2784
2785   // Reduction variables are only found in the loop header block.
2786   if (Phi->getParent() != TheLoop->getHeader())
2787     return false;
2788
2789   // Obtain the reduction start value from the value that comes from the loop
2790   // preheader.
2791   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValueForBlock(TheLoop->getLoopPreheader());
2792
2793   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
2794   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
2795   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
2796   // which ends in the phi node).
2797   Instruction *ExitInstruction = 0;
2798   // Indicates that we found a binary operation in our scan.
2799   bool FoundBinOp = false;
2800
2801   // Iter is our iterator. We start with the PHI node and scan for all of the
2802   // users of this instruction. All users must be instructions that can be
2803   // used as reduction variables (such as ADD). We may have a single
2804   // out-of-block user. The cycle must end with the original PHI.
2805   Instruction *Iter = Phi;
2806
2807   // To recognize min/max patterns formed by a icmp select sequence, we store
2808   // the number of instruction we saw from the recognized min/max pattern,
2809   // such that we don't stop when we see the phi has two uses (one by the select
2810   // and one by the icmp) and to make sure we only see exactly the two
2811   // instructions.
2812   unsigned NumICmpSelectPatternInst = 0;
2813   ReductionInstDesc ReduxDesc(false, 0);
2814
2815   // Avoid cycles in the chain.
2816   SmallPtrSet<Instruction *, 8> VisitedInsts;
2817   while (VisitedInsts.insert(Iter)) {
2818     // If the instruction has no users then this is a broken
2819     // chain and can't be a reduction variable.
2820     if (Iter->use_empty())
2821       return false;
2822
2823     // Did we find a user inside this loop already ?
2824     bool FoundInBlockUser = false;
2825     // Did we reach the initial PHI node already ?
2826     bool FoundStartPHI = false;
2827
2828     // Is this a bin op ?
2829     FoundBinOp |= !isa<PHINode>(Iter);
2830
2831     // For each of the *users* of iter.
2832     for (Value::use_iterator it = Iter->use_begin(), e = Iter->use_end();
2833          it != e; ++it) {
2834       Instruction *U = cast<Instruction>(*it);
2835       // We already know that the PHI is a user.
2836       if (U == Phi) {
2837         FoundStartPHI = true;
2838         continue;
2839       }
2840
2841       // Check if we found the exit user.
2842       BasicBlock *Parent = U->getParent();
2843       if (!TheLoop->contains(Parent)) {
2844         // Exit if you find multiple outside users.
2845         if (ExitInstruction != 0)
2846           return false;
2847         ExitInstruction = Iter;
2848       }
2849
2850       // We allow in-loop PHINodes which are not the original reduction PHI
2851       // node. If this PHI is the only user of Iter (happens in IF w/ no ELSE
2852       // structure) then don't skip this PHI.
2853       if (isa<PHINode>(Iter) && isa<PHINode>(U) &&
2854           U->getParent() != TheLoop->getHeader() &&
2855           TheLoop->contains(U) &&
2856           Iter->hasNUsesOrMore(2))
2857         continue;
2858
2859       // We can't have multiple inside users except for a combination of
2860       // icmp/select both using the phi.
2861       if (FoundInBlockUser && !NumICmpSelectPatternInst)
2862         return false;
2863       FoundInBlockUser = true;
2864
2865       // Any reduction instr must be of one of the allowed kinds.
2866       ReduxDesc = isReductionInstr(U, Kind, ReduxDesc);
2867       if (!ReduxDesc.IsReduction)
2868         return false;
2869
2870       if (Kind == RK_IntegerMinMax && (isa<ICmpInst>(U) ||
2871                                        isa<SelectInst>(U)))
2872           ++NumICmpSelectPatternInst;
2873
2874       // Reductions of instructions such as Div, and Sub is only
2875       // possible if the LHS is the reduction variable.
2876       if (!U->isCommutative() && !isa<PHINode>(U) && !isa<SelectInst>(U) &&
2877           !isa<ICmpInst>(U) && U->getOperand(0) != Iter)
2878         return false;
2879
2880       Iter = ReduxDesc.PatternLastInst;
2881     }
2882
2883     // This means we have seen one but not the other instruction of the
2884     // pattern or more than just a select and cmp.
2885     if (Kind == RK_IntegerMinMax && NumICmpSelectPatternInst != 2)
2886       return false;
2887
2888     // We found a reduction var if we have reached the original
2889     // phi node and we only have a single instruction with out-of-loop
2890     // users.
2891     if (FoundStartPHI) {
2892       // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
2893       AllowedExit.insert(ExitInstruction);
2894
2895       // Save the description of this reduction variable.
2896       ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind,
2897                              ReduxDesc.Predicate);
2898       Reductions[Phi] = RD;
2899       // We've ended the cycle. This is a reduction variable if we have an
2900       // outside user and it has a binary op.
2901       return FoundBinOp && ExitInstruction;
2902     }
2903   }
2904
2905   return false;
2906 }
2907
2908 static CmpInst::Predicate getPredicateSense(CmpInst::Predicate P,
2909                                             bool ShouldRevert) {
2910   if (!ShouldRevert) return P;
2911
2912   switch(P) {
2913   default:
2914     llvm_unreachable("Unknown predicate sense");
2915   case CmpInst::ICMP_UGT:
2916   case CmpInst::ICMP_UGE:
2917     return CmpInst::ICMP_ULT;
2918   case CmpInst::ICMP_SGT:
2919   case CmpInst::ICMP_SGE:
2920     return CmpInst::ICMP_SLT;
2921   case CmpInst::ICMP_ULT:
2922   case CmpInst::ICMP_ULE:
2923     return CmpInst::ICMP_UGT;
2924   case CmpInst::ICMP_SLT:
2925   case CmpInst::ICMP_SLE:
2926     return CmpInst::ICMP_SGT;
2927   }
2928 }
2929
2930 /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
2931 /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
2932 static LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
2933 isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I) {
2934
2935   assert((isa<ICmpInst>(I) || isa<SelectInst>(I)) &&
2936          "Expect a select instruction");
2937   ICmpInst *Cmp = 0;
2938   SelectInst *Select = 0;
2939
2940   // Look for a select(icmp(),...) pattern. Only handle integer reductions for
2941   // now.
2942   if ((Select = dyn_cast<SelectInst>(I))) {
2943     if (!(Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I->getOperand(0))))
2944       return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(false, I);
2945     // Only handle the single user case
2946     if (!Cmp->hasOneUse())
2947       return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(false, I);
2948   } else if ((Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I))) {
2949     // Only handle the single user case.
2950     if (!Cmp->hasOneUse())
2951       return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(false, I);
2952     // Look for the select.
2953     if (!(Select = dyn_cast<SelectInst>(*I->use_begin())))
2954       return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(false, I);
2955     // Compare must be the first operand of the select.
2956     if (Select->getOperand(0) != Cmp)
2957       return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(false, I);
2958   }
2959
2960   CmpInst::Predicate Pred = Cmp->getPredicate();
2961
2962   // Only (u/s)lt/gt/ge/le are min or max patterns.
2963   if (Pred == CmpInst::ICMP_EQ ||
2964       Pred == CmpInst::ICMP_NE)
2965     return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(false, I);
2966
2967   Value *SelectOp1 = Select->getOperand(1);
2968   Value *SelectOp2 = Select->getOperand(2);
2969
2970   Value *CmpLeft = Cmp->getOperand(0);
2971   Value *CmpRight = Cmp->getOperand(1);
2972
2973   // Can have reversed sense.
2974   // select(slt(X, Y), Y, X) == select(sge(X, Y), X, Y).
2975   bool IsInverted = (SelectOp2 == CmpLeft && SelectOp1 == CmpRight);
2976   bool IsMinMaxPattern = (SelectOp1 == CmpLeft && SelectOp2 == CmpRight) ||
2977     IsInverted;
2978
2979   // Advance the instruction pointer from the icmp to the select instruction.
2980   if (IsMinMaxPattern) {
2981     CmpInst::Predicate P = getPredicateSense(Pred, IsInverted);
2982     return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(Select, P);
2983   }
2984
2985   return LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc(false, I);
2986 }
2987
2988 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
2989 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
2990                                             ReductionKind Kind,
2991                                             ReductionInstDesc Desc) {
2992   bool FP = I->getType()->isFloatingPointTy();
2993   bool FastMath = (FP && I->isCommutative() && I->isAssociative());
2994   switch (I->getOpcode()) {
2995   default:
2996     return ReductionInstDesc(false, I);
2997   case Instruction::PHI:
2998       if (FP && (Kind != RK_FloatMult && Kind != RK_FloatAdd))
2999         return ReductionInstDesc(false, I);
3000     return ReductionInstDesc(I, Desc.Predicate);
3001   case Instruction::Sub:
3002   case Instruction::Add:
3003     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAdd, I);
3004   case Instruction::Mul:
3005     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerMult, I);
3006   case Instruction::And:
3007     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAnd, I);
3008   case Instruction::Or:
3009     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerOr, I);
3010   case Instruction::Xor:
3011     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerXor, I);
3012   case Instruction::FMul:
3013     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatMult && FastMath, I);
3014   case Instruction::FAdd:
3015     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatAdd && FastMath, I);
3016   case Instruction::ICmp:
3017   case Instruction::Select:
3018     if (Kind != RK_IntegerMinMax)
3019       return ReductionInstDesc(false, I);
3020     return isMinMaxSelectCmpPattern(I);
3021   }
3022 }
3023
3024 LoopVectorizationLegality::InductionKind
3025 LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi) {
3026   Type *PhiTy = Phi->getType();
3027   // We only handle integer and pointer inductions variables.
3028   if (!PhiTy->isIntegerTy() && !PhiTy->isPointerTy())
3029     return IK_NoInduction;
3030
3031   // Check that the PHI is consecutive.
3032   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
3033   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
3034   if (!AR) {
3035     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
3036     return IK_NoInduction;
3037   }
3038   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
3039
3040   // Integer inductions need to have a stride of one.
3041   if (PhiTy->isIntegerTy()) {
3042     if (Step->isOne())
3043       return IK_IntInduction;
3044     if (Step->isAllOnesValue())
3045       return IK_ReverseIntInduction;
3046     return IK_NoInduction;
3047   }
3048
3049   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
3050   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
3051   if (!C)
3052     return IK_NoInduction;
3053
3054   assert(PhiTy->isPointerTy() && "The PHI must be a pointer");
3055   uint64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PhiTy->getPointerElementType());
3056   if (C->getValue()->equalsInt(Size))
3057     return IK_PtrInduction;
3058   else if (C->getValue()->equalsInt(0 - Size))
3059     return IK_ReversePtrInduction;
3060
3061   return IK_NoInduction;
3062 }
3063
3064 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(const Value *V) {
3065   Value *In0 = const_cast<Value*>(V);
3066   PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(In0);
3067   if (!PN)
3068     return false;
3069
3070   return Inductions.count(PN);
3071 }
3072
3073 bool LoopVectorizationLegality::blockNeedsPredication(BasicBlock *BB)  {
3074   assert(TheLoop->contains(BB) && "Unknown block used");
3075
3076   // Blocks that do not dominate the latch need predication.
3077   BasicBlock* Latch = TheLoop->getLoopLatch();
3078   return !DT->dominates(BB, Latch);
3079 }
3080
3081 bool LoopVectorizationLegality::blockCanBePredicated(BasicBlock *BB) {
3082   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
3083     // We don't predicate loads/stores at the moment.
3084     if (it->mayReadFromMemory() || it->mayWriteToMemory() || it->mayThrow())
3085       return false;
3086
3087     // The instructions below can trap.
3088     switch (it->getOpcode()) {
3089     default: continue;
3090     case Instruction::UDiv:
3091     case Instruction::SDiv:
3092     case Instruction::URem:
3093     case Instruction::SRem:
3094              return false;
3095     }
3096   }
3097
3098   return true;
3099 }
3100
3101 bool LoopVectorizationLegality::hasComputableBounds(Value *Ptr) {
3102   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Ptr);
3103   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
3104   if (!AR)
3105     return false;
3106
3107   return AR->isAffine();
3108 }
3109
3110 LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor
3111 LoopVectorizationCostModel::selectVectorizationFactor(bool OptForSize,
3112                                                       unsigned UserVF) {
3113   // Width 1 means no vectorize
3114   VectorizationFactor Factor = { 1U, 0U };
3115   if (OptForSize && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need) {
3116     DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. Runtime ptr check is required in Os.\n");
3117     return Factor;
3118   }
3119
3120   // Find the trip count.
3121   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop, TheLoop->getLoopLatch());
3122   DEBUG(dbgs() << "LV: Found trip count:"<<TC<<"\n");
3123
3124   unsigned WidestType = getWidestType();
3125   unsigned WidestRegister = TTI.getRegisterBitWidth(true);
3126   unsigned MaxVectorSize = WidestRegister / WidestType;
3127   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest type: " << WidestType << " bits.\n");
3128   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest register is:" << WidestRegister << "bits.\n");
3129
3130   if (MaxVectorSize == 0) {
3131     DEBUG(dbgs() << "LV: The target has no vector registers.\n");
3132     MaxVectorSize = 1;
3133   }
3134
3135   assert(MaxVectorSize <= 32 && "Did not expect to pack so many elements"
3136          " into one vector!");
3137
3138   unsigned VF = MaxVectorSize;
3139
3140   // If we optimize the program for size, avoid creating the tail loop.
3141   if (OptForSize) {
3142     // If we are unable to calculate the trip count then don't try to vectorize.
3143     if (TC < 2) {
3144       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
3145       return Factor;
3146     }
3147
3148     // Find the maximum SIMD width that can fit within the trip count.
3149     VF = TC % MaxVectorSize;
3150
3151     if (VF == 0)
3152       VF = MaxVectorSize;
3153
3154     // If the trip count that we found modulo the vectorization factor is not
3155     // zero then we require a tail.
3156     if (VF < 2) {
3157       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
3158       return Factor;
3159     }
3160   }
3161
3162   if (UserVF != 0) {
3163     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
3164     DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF "<<UserVF<<".\n");
3165
3166     Factor.Width = UserVF;
3167     return Factor;
3168   }
3169
3170   float Cost = expectedCost(1);
3171   unsigned Width = 1;
3172   DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: "<< (int)Cost << ".\n");
3173   for (unsigned i=2; i <= VF; i*=2) {
3174     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
3175     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
3176     // the vector elements.
3177     float VectorCost = expectedCost(i) / (float)i;
3178     DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width "<< i << " costs: " <<
3179           (int)VectorCost << ".\n");
3180     if (VectorCost < Cost) {
3181       Cost = VectorCost;
3182       Width = i;
3183     }
3184   }
3185
3186   DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF = : "<< Width << ".\n");
3187   Factor.Width = Width;
3188   Factor.Cost = Width * Cost;
3189   return Factor;
3190 }
3191
3192 unsigned LoopVectorizationCostModel::getWidestType() {
3193   unsigned MaxWidth = 8;
3194
3195   // For each block.
3196   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
3197        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
3198     BasicBlock *BB = *bb;
3199
3200     // For each instruction in the loop.
3201     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
3202       Type *T = it->getType();
3203
3204       // Only examine Loads, Stores and PHINodes.
3205       if (!isa<LoadInst>(it) && !isa<StoreInst>(it) && !isa<PHINode>(it))
3206         continue;
3207
3208       // Examine PHI nodes that are reduction variables.
3209       if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(it))
3210         if (!Legal->getReductionVars()->count(PN))
3211           continue;
3212
3213       // Examine the stored values.
3214       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it))
3215         T = ST->getValueOperand()->getType();
3216
3217       // Ignore loaded pointer types and stored pointer types that are not
3218       // consecutive. However, we do want to take consecutive stores/loads of
3219       // pointer vectors into account.
3220       if (T->isPointerTy() && !isConsecutiveLoadOrStore(it))
3221         continue;
3222
3223       MaxWidth = std::max(MaxWidth,
3224                           (unsigned)DL->getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
3225     }
3226   }
3227
3228   return MaxWidth;
3229 }
3230
3231 unsigned
3232 LoopVectorizationCostModel::selectUnrollFactor(bool OptForSize,
3233                                                unsigned UserUF,
3234                                                unsigned VF,
3235                                                unsigned LoopCost) {
3236
3237   // -- The unroll heuristics --
3238   // We unroll the loop in order to expose ILP and reduce the loop overhead.
3239   // There are many micro-architectural considerations that we can't predict
3240   // at this level. For example frontend pressure (on decode or fetch) due to
3241   // code size, or the number and capabilities of the execution ports.
3242   //
3243   // We use the following heuristics to select the unroll factor:
3244   // 1. If the code has reductions the we unroll in order to break the cross
3245   // iteration dependency.
3246   // 2. If the loop is really small then we unroll in order to reduce the loop
3247   // overhead.
3248   // 3. We don't unroll if we think that we will spill registers to memory due
3249   // to the increased register pressure.
3250
3251   // Use the user preference, unless 'auto' is selected.
3252   if (UserUF != 0)
3253     return UserUF;
3254
3255   // When we optimize for size we don't unroll.
3256   if (OptForSize)
3257     return 1;
3258
3259   // Do not unroll loops with a relatively small trip count.
3260   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop,
3261                                               TheLoop->getLoopLatch());
3262   if (TC > 1 && TC < TinyTripCountUnrollThreshold)
3263     return 1;
3264
3265   unsigned TargetVectorRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(true);
3266   DEBUG(dbgs() << "LV: The target has " << TargetVectorRegisters <<
3267         " vector registers\n");
3268
3269   LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage R = calculateRegisterUsage();
3270   // We divide by these constants so assume that we have at least one
3271   // instruction that uses at least one register.
3272   R.MaxLocalUsers = std::max(R.MaxLocalUsers, 1U);
3273   R.NumInstructions = std::max(R.NumInstructions, 1U);
3274
3275   // We calculate the unroll factor using the following formula.
3276   // Subtract the number of loop invariants from the number of available
3277   // registers. These registers are used by all of the unrolled instances.
3278   // Next, divide the remaining registers by the number of registers that is
3279   // required by the loop, in order to estimate how many parallel instances
3280   // fit without causing spills.
3281   unsigned UF = (TargetVectorRegisters - R.LoopInvariantRegs) / R.MaxLocalUsers;
3282
3283   // Clamp the unroll factor ranges to reasonable factors.
3284   unsigned MaxUnrollSize = TTI.getMaximumUnrollFactor();
3285
3286   // If we did not calculate the cost for VF (because the user selected the VF)
3287   // then we calculate the cost of VF here.
3288   if (LoopCost == 0)
3289     LoopCost = expectedCost(VF);
3290
3291   // Clamp the calculated UF to be between the 1 and the max unroll factor
3292   // that the target allows.
3293   if (UF > MaxUnrollSize)
3294     UF = MaxUnrollSize;
3295   else if (UF < 1)
3296     UF = 1;
3297
3298   if (Legal->getReductionVars()->size()) {
3299     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling because of reductions. \n");
3300     return UF;
3301   }
3302
3303   // We want to unroll tiny loops in order to reduce the loop overhead.
3304   // We assume that the cost overhead is 1 and we use the cost model
3305   // to estimate the cost of the loop and unroll until the cost of the
3306   // loop overhead is about 5% of the cost of the loop.
3307   DEBUG(dbgs() << "LV: Loop cost is "<< LoopCost <<" \n");
3308   if (LoopCost < 20) {
3309     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to reduce branch cost. \n");
3310     unsigned NewUF = 20/LoopCost + 1;
3311     return std::min(NewUF, UF);
3312   }
3313
3314   DEBUG(dbgs() << "LV: Not Unrolling. \n");
3315   return 1;
3316 }
3317
3318 LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage
3319 LoopVectorizationCostModel::calculateRegisterUsage() {
3320   // This function calculates the register usage by measuring the highest number
3321   // of values that are alive at a single location. Obviously, this is a very
3322   // rough estimation. We scan the loop in a topological order in order and
3323   // assign a number to each instruction. We use RPO to ensure that defs are
3324   // met before their users. We assume that each instruction that has in-loop
3325   // users starts an interval. We record every time that an in-loop value is
3326   // used, so we have a list of the first and last occurrences of each
3327   // instruction. Next, we transpose this data structure into a multi map that
3328   // holds the list of intervals that *end* at a specific location. This multi
3329   // map allows us to perform a linear search. We scan the instructions linearly
3330   // and record each time that a new interval starts, by placing it in a set.
3331   // If we find this value in the multi-map then we remove it from the set.
3332   // The max register usage is the maximum size of the set.
3333   // We also search for instructions that are defined outside the loop, but are
3334   // used inside the loop. We need this number separately from the max-interval
3335   // usage number because when we unroll, loop-invariant values do not take
3336   // more register.
3337   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
3338   DFS.perform(LI);
3339
3340   RegisterUsage R;
3341   R.NumInstructions = 0;
3342
3343   // Each 'key' in the map opens a new interval. The values
3344   // of the map are the index of the 'last seen' usage of the
3345   // instruction that is the key.
3346   typedef DenseMap<Instruction*, unsigned> IntervalMap;
3347   // Maps instruction to its index.
3348   DenseMap<unsigned, Instruction*> IdxToInstr;
3349   // Marks the end of each interval.
3350   IntervalMap EndPoint;
3351   // Saves the list of instruction indices that are used in the loop.
3352   SmallSet<Instruction*, 8> Ends;
3353   // Saves the list of values that are used in the loop but are
3354   // defined outside the loop, such as arguments and constants.
3355   SmallPtrSet<Value*, 8> LoopInvariants;
3356
3357   unsigned Index = 0;
3358   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
3359        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb) {
3360     R.NumInstructions += (*bb)->size();
3361     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
3362          ++it) {
3363       Instruction *I = it;
3364       IdxToInstr[Index++] = I;
3365
3366       // Save the end location of each USE.
3367       for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); ++i) {
3368         Value *U = I->getOperand(i);
3369         Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(U);
3370
3371         // Ignore non-instruction values such as arguments, constants, etc.
3372         if (!Instr) continue;
3373
3374         // If this instruction is outside the loop then record it and continue.
3375         if (!TheLoop->contains(Instr)) {
3376           LoopInvariants.insert(Instr);
3377           continue;
3378         }
3379
3380         // Overwrite previous end points.
3381         EndPoint[Instr] = Index;
3382         Ends.insert(Instr);
3383       }
3384     }
3385   }
3386
3387   // Saves the list of intervals that end with the index in 'key'.
3388   typedef SmallVector<Instruction*, 2> InstrList;
3389   DenseMap<unsigned, InstrList> TransposeEnds;
3390
3391   // Transpose the EndPoints to a list of values that end at each index.
3392   for (IntervalMap::iterator it = EndPoint.begin(), e = EndPoint.end();
3393        it != e; ++it)
3394     TransposeEnds[it->second].push_back(it->first);
3395
3396   SmallSet<Instruction*, 8> OpenIntervals;
3397   unsigned MaxUsage = 0;
3398
3399
3400   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Calculating max register usage:\n");
3401   for (unsigned int i = 0; i < Index; ++i) {
3402     Instruction *I = IdxToInstr[i];
3403     // Ignore instructions that are never used within the loop.
3404     if (!Ends.count(I)) continue;
3405
3406     // Remove all of the instructions that end at this location.
3407     InstrList &List = TransposeEnds[i];
3408     for (unsigned int j=0, e = List.size(); j < e; ++j)
3409       OpenIntervals.erase(List[j]);
3410
3411     // Count the number of live interals.
3412     MaxUsage = std::max(MaxUsage, OpenIntervals.size());
3413
3414     DEBUG(dbgs() << "LV(REG): At #" << i << " Interval # " <<
3415           OpenIntervals.size() <<"\n");
3416
3417     // Add the current instruction to the list of open intervals.
3418     OpenIntervals.insert(I);
3419   }
3420
3421   unsigned Invariant = LoopInvariants.size();
3422   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found max usage: " << MaxUsage << " \n");
3423   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found invariant usage: " << Invariant << " \n");
3424   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): LoopSize: " << R.NumInstructions << " \n");
3425
3426   R.LoopInvariantRegs = Invariant;
3427   R.MaxLocalUsers = MaxUsage;
3428   return R;
3429 }
3430
3431 unsigned LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
3432   unsigned Cost = 0;
3433
3434   // For each block.
3435   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
3436        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
3437     unsigned BlockCost = 0;
3438     BasicBlock *BB = *bb;
3439
3440     // For each instruction in the old loop.
3441     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
3442       // Skip dbg intrinsics.
3443       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
3444         continue;
3445
3446       unsigned C = getInstructionCost(it, VF);
3447       Cost += C;
3448       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of "<< C <<" for VF " <<
3449             VF << " For instruction: "<< *it << "\n");
3450     }
3451
3452     // We assume that if-converted blocks have a 50% chance of being executed.
3453     // When the code is scalar then some of the blocks are avoided due to CF.
3454     // When the code is vectorized we execute all code paths.
3455     if (Legal->blockNeedsPredication(*bb) && VF == 1)
3456       BlockCost /= 2;
3457
3458     Cost += BlockCost;
3459   }
3460
3461   return Cost;
3462 }
3463
3464 unsigned
3465 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
3466   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
3467   // the scalar version.
3468   if (Legal->isUniformAfterVectorization(I))
3469     VF = 1;
3470
3471   Type *RetTy = I->getType();
3472   Type *VectorTy = ToVectorTy(RetTy, VF);
3473
3474   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
3475   switch (I->getOpcode()) {
3476   case Instruction::GetElementPtr:
3477     // We mark this instruction as zero-cost because the cost of GEPs in
3478     // vectorized code depends on whether the corresponding memory instruction
3479     // is scalarized or not. Therefore, we handle GEPs with the memory
3480     // instruction cost.
3481     return 0;
3482   case Instruction::Br: {
3483     return TTI.getCFInstrCost(I->getOpcode());
3484   }
3485   case Instruction::PHI:
3486     //TODO: IF-converted IFs become selects.
3487     return 0;
3488   case Instruction::Add:
3489   case Instruction::FAdd:
3490   case Instruction::Sub:
3491   case Instruction::FSub:
3492   case Instruction::Mul:
3493   case Instruction::FMul:
3494   case Instruction::UDiv:
3495   case Instruction::SDiv:
3496   case Instruction::FDiv:
3497   case Instruction::URem:
3498   case Instruction::SRem:
3499   case Instruction::FRem:
3500   case Instruction::Shl:
3501   case Instruction::LShr:
3502   case Instruction::AShr:
3503   case Instruction::And:
3504   case Instruction::Or:
3505   case Instruction::Xor: {
3506     // Certain instructions can be cheaper to vectorize if they have a constant
3507     // second vector operand. One example of this are shifts on x86.
3508     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op1VK =
3509       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
3510     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op2VK =
3511       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
3512
3513     if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
3514       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
3515
3516     return TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, Op1VK, Op2VK);
3517   }
3518   case Instruction::Select: {
3519     SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
3520     const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
3521     bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
3522     Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
3523     if (!ScalarCond)
3524       CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
3525
3526     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy);
3527   }
3528   case Instruction::ICmp:
3529   case Instruction::FCmp: {
3530     Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
3531     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
3532     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
3533   }
3534   case Instruction::Store:
3535   case Instruction::Load: {
3536     StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
3537     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I);
3538     Type *ValTy = (SI ? SI->getValueOperand()->getType() :
3539                    LI->getType());
3540     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
3541
3542     unsigned Alignment = SI ? SI->getAlignment() : LI->getAlignment();
3543     unsigned AS = SI ? SI->getPointerAddressSpace() :
3544       LI->getPointerAddressSpace();
3545     Value *Ptr = SI ? SI->getPointerOperand() : LI->getPointerOperand();
3546     // We add the cost of address computation here instead of with the gep
3547     // instruction because only here we know whether the operation is
3548     // scalarized.
3549     if (VF == 1)
3550       return TTI.getAddressComputationCost(VectorTy) +
3551         TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
3552
3553     // Scalarized loads/stores.
3554     int Stride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
3555     bool Reverse = Stride < 0;
3556     if (0 == Stride) {
3557       unsigned Cost = 0;
3558       // The cost of extracting from the value vector and pointer vector.
3559       Type *PtrTy = ToVectorTy(Ptr->getType(), VF);
3560       for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
3561         //  The cost of extracting the pointer operand.
3562         Cost += TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement, PtrTy, i);
3563         // In case of STORE, the cost of ExtractElement from the vector.
3564         // In case of LOAD, the cost of InsertElement into the returned
3565         // vector.
3566         Cost += TTI.getVectorInstrCost(SI ? Instruction::ExtractElement :
3567                                             Instruction::InsertElement,
3568                                             VectorTy, i);
3569       }
3570
3571       // The cost of the scalar loads/stores.
3572       Cost += VF * TTI.getAddressComputationCost(ValTy->getScalarType());
3573       Cost += VF * TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy->getScalarType(),
3574                                        Alignment, AS);
3575       return Cost;
3576     }
3577
3578     // Wide load/stores.
3579     unsigned Cost = TTI.getAddressComputationCost(VectorTy);
3580     Cost += TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
3581
3582     if (Reverse)
3583       Cost += TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse,
3584                                   VectorTy, 0);
3585     return Cost;
3586   }
3587   case Instruction::ZExt:
3588   case Instruction::SExt:
3589   case Instruction::FPToUI:
3590   case Instruction::FPToSI:
3591   case Instruction::FPExt:
3592   case Instruction::PtrToInt:
3593   case Instruction::IntToPtr:
3594   case Instruction::SIToFP:
3595   case Instruction::UIToFP:
3596   case Instruction::Trunc:
3597   case Instruction::FPTrunc:
3598   case Instruction::BitCast: {
3599     // We optimize the truncation of induction variable.
3600     // The cost of these is the same as the scalar operation.
3601     if (I->getOpcode() == Instruction::Trunc &&
3602         Legal->isInductionVariable(I->getOperand(0)))
3603       return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), I->getType(),
3604                                   I->getOperand(0)->getType());
3605
3606     Type *SrcVecTy = ToVectorTy(I->getOperand(0)->getType(), VF);
3607     return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy);
3608   }
3609   case Instruction::Call: {
3610     CallInst *CI = cast<CallInst>(I);
3611     Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
3612     assert(ID && "Not an intrinsic call!");
3613     Type *RetTy = ToVectorTy(CI->getType(), VF);
3614     SmallVector<Type*, 4> Tys;
3615     for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i)
3616       Tys.push_back(ToVectorTy(CI->getArgOperand(i)->getType(), VF));
3617     return TTI.getIntrinsicInstrCost(ID, RetTy, Tys);
3618   }
3619   default: {
3620     // We are scalarizing the instruction. Return the cost of the scalar
3621     // instruction, plus the cost of insert and extract into vector
3622     // elements, times the vector width.
3623     unsigned Cost = 0;
3624
3625     if (!RetTy->isVoidTy() && VF != 1) {
3626       unsigned InsCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::InsertElement,
3627                                                 VectorTy);
3628       unsigned ExtCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement,
3629                                                 VectorTy);
3630
3631       // The cost of inserting the results plus extracting each one of the
3632       // operands.
3633       Cost += VF * (InsCost + ExtCost * I->getNumOperands());
3634     }
3635
3636     // The cost of executing VF copies of the scalar instruction. This opcode
3637     // is unknown. Assume that it is the same as 'mul'.
3638     Cost += VF * TTI.getArithmeticInstrCost(Instruction::Mul, VectorTy);
3639     return Cost;
3640   }
3641   }// end of switch.
3642 }
3643
3644 Type* LoopVectorizationCostModel::ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
3645   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
3646     return Scalar;
3647   return VectorType::get(Scalar, VF);
3648 }
3649
3650 char LoopVectorize::ID = 0;
3651 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
3652 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
3653 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
3654 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
3655 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
3656 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
3657 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
3658
3659 namespace llvm {
3660   Pass *createLoopVectorizePass() {
3661     return new LoopVectorize();
3662   }
3663 }
3664
3665 bool LoopVectorizationCostModel::isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *Inst) {
3666   // Check for a store.
3667   if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
3668     return Legal->isConsecutivePtr(ST->getPointerOperand()) != 0;
3669
3670   // Check for a load.
3671   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
3672     return Legal->isConsecutivePtr(LI->getPointerOperand()) != 0;
3673
3674   return false;
3675 }