]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/IndVarSimplify.cpp
Merge clang 7.0.1 and several follow-up changes
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
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 transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
15 // changes:
16 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
17 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
18 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
19 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
20 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
21 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
22 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
23 //      expression, this transformation will make the loop dead.
24 //
25 //===----------------------------------------------------------------------===//
26
27 #include "llvm/Transforms/Scalar/IndVarSimplify.h"
28 #include "llvm/ADT/APFloat.h"
29 #include "llvm/ADT/APInt.h"
30 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
31 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
32 #include "llvm/ADT/None.h"
33 #include "llvm/ADT/Optional.h"
34 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
35 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
36 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
37 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
38 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
40 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
41 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
42 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
43 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
44 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
45 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
47 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
48 #include "llvm/IR/Constant.h"
49 #include "llvm/IR/ConstantRange.h"
50 #include "llvm/IR/Constants.h"
51 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
52 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
53 #include "llvm/IR/Dominators.h"
54 #include "llvm/IR/Function.h"
55 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
56 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
57 #include "llvm/IR/Instruction.h"
58 #include "llvm/IR/Instructions.h"
59 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
60 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
61 #include "llvm/IR/Module.h"
62 #include "llvm/IR/Operator.h"
63 #include "llvm/IR/PassManager.h"
64 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
65 #include "llvm/IR/Type.h"
66 #include "llvm/IR/Use.h"
67 #include "llvm/IR/User.h"
68 #include "llvm/IR/Value.h"
69 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
70 #include "llvm/Pass.h"
71 #include "llvm/Support/Casting.h"
72 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
73 #include "llvm/Support/Compiler.h"
74 #include "llvm/Support/Debug.h"
75 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
76 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
77 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
78 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
79 #include "llvm/Transforms/Scalar/LoopPassManager.h"
80 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
81 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
82 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
83 #include <cassert>
84 #include <cstdint>
85 #include <utility>
86
87 using namespace llvm;
88
89 #define DEBUG_TYPE "indvars"
90
91 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
92 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
93 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
94 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
95 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
96
97 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
98 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
99 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
100 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
101   "verify-indvars", cl::Hidden,
102   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
103
104 enum ReplaceExitVal { NeverRepl, OnlyCheapRepl, AlwaysRepl };
105
106 static cl::opt<ReplaceExitVal> ReplaceExitValue(
107     "replexitval", cl::Hidden, cl::init(OnlyCheapRepl),
108     cl::desc("Choose the strategy to replace exit value in IndVarSimplify"),
109     cl::values(clEnumValN(NeverRepl, "never", "never replace exit value"),
110                clEnumValN(OnlyCheapRepl, "cheap",
111                           "only replace exit value when the cost is cheap"),
112                clEnumValN(AlwaysRepl, "always",
113                           "always replace exit value whenever possible")));
114
115 static cl::opt<bool> UsePostIncrementRanges(
116   "indvars-post-increment-ranges", cl::Hidden,
117   cl::desc("Use post increment control-dependent ranges in IndVarSimplify"),
118   cl::init(true));
119
120 static cl::opt<bool>
121 DisableLFTR("disable-lftr", cl::Hidden, cl::init(false),
122             cl::desc("Disable Linear Function Test Replace optimization"));
123
124 namespace {
125
126 struct RewritePhi;
127
128 class IndVarSimplify {
129   LoopInfo *LI;
130   ScalarEvolution *SE;
131   DominatorTree *DT;
132   const DataLayout &DL;
133   TargetLibraryInfo *TLI;
134   const TargetTransformInfo *TTI;
135
136   SmallVector<WeakTrackingVH, 16> DeadInsts;
137   bool Changed = false;
138
139   bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
140
141   void handleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
142   void rewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
143
144   void simplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LoopInfo *LI);
145
146   bool canLoopBeDeleted(Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet);
147   void rewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
148   void rewriteFirstIterationLoopExitValues(Loop *L);
149
150   Value *linearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
151                                    PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
152
153   void sinkUnusedInvariants(Loop *L);
154
155   Value *expandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S, Loop *L,
156                             Instruction *InsertPt, Type *Ty);
157
158 public:
159   IndVarSimplify(LoopInfo *LI, ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT,
160                  const DataLayout &DL, TargetLibraryInfo *TLI,
161                  TargetTransformInfo *TTI)
162       : LI(LI), SE(SE), DT(DT), DL(DL), TLI(TLI), TTI(TTI) {}
163
164   bool run(Loop *L);
165 };
166
167 } // end anonymous namespace
168
169 /// Return true if the SCEV expansion generated by the rewriter can replace the
170 /// original value. SCEV guarantees that it produces the same value, but the way
171 /// it is produced may be illegal IR.  Ideally, this function will only be
172 /// called for verification.
173 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
174   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
175   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
176   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
177   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
178   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
179   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
180   // bail out here.
181   //
182   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
183   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
184   Value *FromPtr = FromVal;
185   Value *ToPtr = ToVal;
186   if (auto *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
187     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
188   }
189   if (auto *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
190     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
191   }
192   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
193     // Quickly check the common case
194     if (FromPtr == ToPtr)
195       return true;
196
197     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
198     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
199     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
200     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
201     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
202     // indexed by an integer recurrence.
203
204     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
205     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
206       return false;
207
208     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
209     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
210     if (FromBase == ToBase)
211       return true;
212
213     LLVM_DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out " << *FromBase
214                       << " != " << *ToBase << "\n");
215
216     return false;
217   }
218   return true;
219 }
220
221 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
222 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
223 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
224 /// common dominator for the incoming blocks.
225 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
226                                           DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
227   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
228   if (!PHI)
229     return User;
230
231   Instruction *InsertPt = nullptr;
232   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
233     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
234       continue;
235
236     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
237     if (!InsertPt) {
238       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
239       continue;
240     }
241     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
242     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
243   }
244   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
245
246   auto *DefI = dyn_cast<Instruction>(Def);
247   if (!DefI)
248     return InsertPt;
249
250   assert(DT->dominates(DefI, InsertPt) && "def does not dominate all uses");
251
252   auto *L = LI->getLoopFor(DefI->getParent());
253   assert(!L || L->contains(LI->getLoopFor(InsertPt->getParent())));
254
255   for (auto *DTN = (*DT)[InsertPt->getParent()]; DTN; DTN = DTN->getIDom())
256     if (LI->getLoopFor(DTN->getBlock()) == L)
257       return DTN->getBlock()->getTerminator();
258
259   llvm_unreachable("DefI dominates InsertPt!");
260 }
261
262 //===----------------------------------------------------------------------===//
263 // rewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
264 //===----------------------------------------------------------------------===//
265
266 /// Convert APF to an integer, if possible.
267 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
268   bool isExact = false;
269   // See if we can convert this to an int64_t
270   uint64_t UIntVal;
271   if (APF.convertToInteger(makeMutableArrayRef(UIntVal), 64, true,
272                            APFloat::rmTowardZero, &isExact) != APFloat::opOK ||
273       !isExact)
274     return false;
275   IntVal = UIntVal;
276   return true;
277 }
278
279 /// If the loop has floating induction variable then insert corresponding
280 /// integer induction variable if possible.
281 /// For example,
282 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
283 ///   bar(i)
284 /// is converted into
285 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
286 ///   bar((double)i);
287 void IndVarSimplify::handleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
288   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
289   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
290
291   // Check incoming value.
292   auto *InitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
293
294   int64_t InitValue;
295   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
296     return;
297
298   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
299   // an add or increment value can not be represented by an integer.
300   auto *Incr = dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
301   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
302
303   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
304   // is not an integer, bail out.
305   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
306   int64_t IncValue;
307   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
308       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
309     return;
310
311   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
312   // used by the conditional terminator.
313   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
314   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
315   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
316   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
317   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
318
319   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
320   // only used by a branch, we can't transform it.
321   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
322   if (!Compare)
323     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
324   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
325       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
326     return;
327
328   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
329
330   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
331   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
332   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
333   // of the loop.
334   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
335   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
336       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
337        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
338     return;
339
340   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
341   // transform it.
342   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
343   int64_t ExitValue;
344   if (ExitValueVal == nullptr ||
345       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
346     return;
347
348   // Find new predicate for integer comparison.
349   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
350   switch (Compare->getPredicate()) {
351   default: return;  // Unknown comparison.
352   case CmpInst::FCMP_OEQ:
353   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
354   case CmpInst::FCMP_ONE:
355   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
356   case CmpInst::FCMP_OGT:
357   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
358   case CmpInst::FCMP_OGE:
359   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
360   case CmpInst::FCMP_OLT:
361   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
362   case CmpInst::FCMP_OLE:
363   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
364   }
365
366   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
367   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
368   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
369   // now.
370   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
371
372   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
373   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
374     return;
375
376   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
377   if (IncValue == 0)
378     return;
379
380   // Positive and negative strides have different safety conditions.
381   if (IncValue > 0) {
382     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
383     // exit value.
384     if (InitValue >= ExitValue)
385       return;
386
387     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
388     // Check for infinite loop, either:
389     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
390     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
391       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
392     }
393
394     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
395
396     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
397     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
398     // around and do things the fp IV wouldn't.
399     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
400         Leftover != 0)
401       return;
402
403     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
404     // transform the IV.
405     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
406       return;
407   } else {
408     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
409     // exit value.
410     if (InitValue <= ExitValue)
411       return;
412
413     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
414     // Check for infinite loop, either:
415     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
416     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
417       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
418     }
419
420     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
421
422     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
423     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
424     // around and do things the fp IV wouldn't.
425     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
426         Leftover != 0)
427       return;
428
429     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
430     // transform the IV.
431     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
432       return;
433   }
434
435   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
436
437   // Insert new integer induction variable.
438   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
439   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
440                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
441
442   Value *NewAdd =
443     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
444                               Incr->getName()+".int", Incr);
445   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
446
447   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
448                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
449                                       Compare->getName());
450
451   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
452   // Use a WeakTrackingVH to observe whether this happens.
453   WeakTrackingVH WeakPH = PN;
454
455   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
456   // new comparison.
457   NewCompare->takeName(Compare);
458   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
459   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
460
461   // Delete the old floating point increment.
462   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
463   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
464
465   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
466   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
467   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
468   // int->fp cast.
469   //
470   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
471   // platforms.
472   if (WeakPH) {
473     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
474                                  &*PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
475     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
476     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
477   }
478   Changed = true;
479 }
480
481 void IndVarSimplify::rewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
482   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
483   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
484   // the SCEV routines.
485   BasicBlock *Header = L->getHeader();
486
487   SmallVector<WeakTrackingVH, 8> PHIs;
488   for (PHINode &PN : Header->phis())
489     PHIs.push_back(&PN);
490
491   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
492     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
493       handleFloatingPointIV(L, PN);
494
495   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
496   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
497   // re-writing, the trip count may be computable.
498   if (Changed)
499     SE->forgetLoop(L);
500 }
501
502 namespace {
503
504 // Collect information about PHI nodes which can be transformed in
505 // rewriteLoopExitValues.
506 struct RewritePhi {
507   PHINode *PN;
508
509   // Ith incoming value.
510   unsigned Ith;
511
512   // Exit value after expansion.
513   Value *Val;
514
515   // High Cost when expansion.
516   bool HighCost;
517
518   RewritePhi(PHINode *P, unsigned I, Value *V, bool H)
519       : PN(P), Ith(I), Val(V), HighCost(H) {}
520 };
521
522 } // end anonymous namespace
523
524 Value *IndVarSimplify::expandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S,
525                                           Loop *L, Instruction *InsertPt,
526                                           Type *ResultTy) {
527   // Before expanding S into an expensive LLVM expression, see if we can use an
528   // already existing value as the expansion for S.
529   if (Value *ExistingValue = Rewriter.getExactExistingExpansion(S, InsertPt, L))
530     if (ExistingValue->getType() == ResultTy)
531       return ExistingValue;
532
533   // We didn't find anything, fall back to using SCEVExpander.
534   return Rewriter.expandCodeFor(S, ResultTy, InsertPt);
535 }
536
537 //===----------------------------------------------------------------------===//
538 // rewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
539 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
540 //===----------------------------------------------------------------------===//
541
542 /// Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
543 /// If so, this means that we can compute the final value of any expressions
544 /// that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the loop
545 /// into any instructions outside of the loop that use the final values of the
546 /// current expressions.
547 ///
548 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
549 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
550 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
551 /// constant operands at the beginning of the loop.
552 void IndVarSimplify::rewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
553   // Check a pre-condition.
554   assert(L->isRecursivelyLCSSAForm(*DT, *LI) &&
555          "Indvars did not preserve LCSSA!");
556
557   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
558   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
559
560   SmallVector<RewritePhi, 8> RewritePhiSet;
561   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
562   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
563   // the exit blocks of the loop to find them.
564   for (BasicBlock *ExitBB : ExitBlocks) {
565     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
566     // inside the loop are used on this path, skip it.
567     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
568     if (!PN) continue;
569
570     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
571
572     // Iterate over all of the PHI nodes.
573     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
574     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
575       if (PN->use_empty())
576         continue; // dead use, don't replace it
577
578       if (!SE->isSCEVable(PN->getType()))
579         continue;
580
581       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
582       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
583       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
584       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
585       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
586       SE->forgetValue(PN);
587
588       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
589       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
590         // If the value being merged in is not integer or is not defined
591         // in the loop, skip it.
592         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
593         if (!isa<Instruction>(InVal))
594           continue;
595
596         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
597         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
598           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
599
600         // Check that InVal is defined in the loop.
601         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
602         if (!L->contains(Inst))
603           continue;
604
605         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
606         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
607         // contains when the loop exits, if possible.
608         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
609         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
610             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
611           continue;
612
613         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
614         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
615         //    optimized away.
616         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
617         //    computation out of the loop
618         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
619           unsigned NumHardInternalUses = 0;
620           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
621           unsigned NumUses = 0;
622           for (auto IB = Inst->user_begin(), IE = Inst->user_end();
623                IB != IE && NumUses <= 6; ++IB) {
624             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
625             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
626             NumUses++;
627             if (L->contains(UseInstr)) {
628               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
629                 NumHardInternalUses++;
630             } else {
631               if (Opc == Instruction::PHI) {
632                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
633                 // plenty of trivial ones.
634                 NumUses--;
635                 for (auto PB = UseInstr->user_begin(),
636                           PE = UseInstr->user_end();
637                      PB != PE && NumUses <= 6; ++PB, ++NumUses) {
638                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
639                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
640                     NumSoftExternalUses++;
641                 }
642                 continue;
643               }
644               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
645                 NumSoftExternalUses++;
646             }
647           }
648           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
649             continue;
650         }
651
652         bool HighCost = Rewriter.isHighCostExpansion(ExitValue, L, Inst);
653         Value *ExitVal =
654             expandSCEVIfNeeded(Rewriter, ExitValue, L, Inst, PN->getType());
655
656         LLVM_DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal
657                           << '\n'
658                           << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
659
660         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
661           DeadInsts.push_back(ExitVal);
662           continue;
663         }
664
665         // Collect all the candidate PHINodes to be rewritten.
666         RewritePhiSet.emplace_back(PN, i, ExitVal, HighCost);
667       }
668     }
669   }
670
671   bool LoopCanBeDel = canLoopBeDeleted(L, RewritePhiSet);
672
673   // Transformation.
674   for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
675     PHINode *PN = Phi.PN;
676     Value *ExitVal = Phi.Val;
677
678     // Only do the rewrite when the ExitValue can be expanded cheaply.
679     // If LoopCanBeDel is true, rewrite exit value aggressively.
680     if (ReplaceExitValue == OnlyCheapRepl && !LoopCanBeDel && Phi.HighCost) {
681       DeadInsts.push_back(ExitVal);
682       continue;
683     }
684
685     Changed = true;
686     ++NumReplaced;
687     Instruction *Inst = cast<Instruction>(PN->getIncomingValue(Phi.Ith));
688     PN->setIncomingValue(Phi.Ith, ExitVal);
689
690     // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
691     // invalidating iterators.
692     if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
693       DeadInsts.push_back(Inst);
694
695     // Replace PN with ExitVal if that is legal and does not break LCSSA.
696     if (PN->getNumIncomingValues() == 1 &&
697         LI->replacementPreservesLCSSAForm(PN, ExitVal)) {
698       PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
699       PN->eraseFromParent();
700     }
701   }
702
703   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
704   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
705   Rewriter.clearInsertPoint();
706 }
707
708 //===---------------------------------------------------------------------===//
709 // rewriteFirstIterationLoopExitValues: Rewrite loop exit values if we know
710 // they will exit at the first iteration.
711 //===---------------------------------------------------------------------===//
712
713 /// Check to see if this loop has loop invariant conditions which lead to loop
714 /// exits. If so, we know that if the exit path is taken, it is at the first
715 /// loop iteration. This lets us predict exit values of PHI nodes that live in
716 /// loop header.
717 void IndVarSimplify::rewriteFirstIterationLoopExitValues(Loop *L) {
718   // Verify the input to the pass is already in LCSSA form.
719   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
720
721   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
722   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
723   auto *LoopHeader = L->getHeader();
724   assert(LoopHeader && "Invalid loop");
725
726   for (auto *ExitBB : ExitBlocks) {
727     // If there are no more PHI nodes in this exit block, then no more
728     // values defined inside the loop are used on this path.
729     for (PHINode &PN : ExitBB->phis()) {
730       for (unsigned IncomingValIdx = 0, E = PN.getNumIncomingValues();
731            IncomingValIdx != E; ++IncomingValIdx) {
732         auto *IncomingBB = PN.getIncomingBlock(IncomingValIdx);
733
734         // We currently only support loop exits from loop header. If the
735         // incoming block is not loop header, we need to recursively check
736         // all conditions starting from loop header are loop invariants.
737         // Additional support might be added in the future.
738         if (IncomingBB != LoopHeader)
739           continue;
740
741         // Get condition that leads to the exit path.
742         auto *TermInst = IncomingBB->getTerminator();
743
744         Value *Cond = nullptr;
745         if (auto *BI = dyn_cast<BranchInst>(TermInst)) {
746           // Must be a conditional branch, otherwise the block
747           // should not be in the loop.
748           Cond = BI->getCondition();
749         } else if (auto *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TermInst))
750           Cond = SI->getCondition();
751         else
752           continue;
753
754         if (!L->isLoopInvariant(Cond))
755           continue;
756
757         auto *ExitVal = dyn_cast<PHINode>(PN.getIncomingValue(IncomingValIdx));
758
759         // Only deal with PHIs.
760         if (!ExitVal)
761           continue;
762
763         // If ExitVal is a PHI on the loop header, then we know its
764         // value along this exit because the exit can only be taken
765         // on the first iteration.
766         auto *LoopPreheader = L->getLoopPreheader();
767         assert(LoopPreheader && "Invalid loop");
768         int PreheaderIdx = ExitVal->getBasicBlockIndex(LoopPreheader);
769         if (PreheaderIdx != -1) {
770           assert(ExitVal->getParent() == LoopHeader &&
771                  "ExitVal must be in loop header");
772           PN.setIncomingValue(IncomingValIdx,
773                               ExitVal->getIncomingValue(PreheaderIdx));
774         }
775       }
776     }
777   }
778 }
779
780 /// Check whether it is possible to delete the loop after rewriting exit
781 /// value. If it is possible, ignore ReplaceExitValue and do rewriting
782 /// aggressively.
783 bool IndVarSimplify::canLoopBeDeleted(
784     Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet) {
785   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
786   // If there is no preheader, the loop will not be deleted.
787   if (!Preheader)
788     return false;
789
790   // In LoopDeletion pass Loop can be deleted when ExitingBlocks.size() > 1.
791   // We obviate multiple ExitingBlocks case for simplicity.
792   // TODO: If we see testcase with multiple ExitingBlocks can be deleted
793   // after exit value rewriting, we can enhance the logic here.
794   SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
795   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
796   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
797   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
798   if (ExitBlocks.size() > 1 || ExitingBlocks.size() > 1)
799     return false;
800
801   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
802   BasicBlock::iterator BI = ExitBlock->begin();
803   while (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(BI)) {
804     Value *Incoming = P->getIncomingValueForBlock(ExitingBlocks[0]);
805
806     // If the Incoming value of P is found in RewritePhiSet, we know it
807     // could be rewritten to use a loop invariant value in transformation
808     // phase later. Skip it in the loop invariant check below.
809     bool found = false;
810     for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
811       unsigned i = Phi.Ith;
812       if (Phi.PN == P && (Phi.PN)->getIncomingValue(i) == Incoming) {
813         found = true;
814         break;
815       }
816     }
817
818     Instruction *I;
819     if (!found && (I = dyn_cast<Instruction>(Incoming)))
820       if (!L->hasLoopInvariantOperands(I))
821         return false;
822
823     ++BI;
824   }
825
826   for (auto *BB : L->blocks())
827     if (llvm::any_of(*BB, [](Instruction &I) {
828           return I.mayHaveSideEffects();
829         }))
830       return false;
831
832   return true;
833 }
834
835 //===----------------------------------------------------------------------===//
836 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
837 //===----------------------------------------------------------------------===//
838
839 namespace {
840
841 // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
842 // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and provides
843 // the input to WidenIV.
844 struct WideIVInfo {
845   PHINode *NarrowIV = nullptr;
846
847   // Widest integer type created [sz]ext
848   Type *WidestNativeType = nullptr;
849
850   // Was a sext user seen before a zext?
851   bool IsSigned = false;
852 };
853
854 } // end anonymous namespace
855
856 /// Update information about the induction variable that is extended by this
857 /// sign or zero extend operation. This is used to determine the final width of
858 /// the IV before actually widening it.
859 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
860                         const TargetTransformInfo *TTI) {
861   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
862   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
863     return;
864
865   Type *Ty = Cast->getType();
866   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
867   if (!Cast->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(Width))
868     return;
869
870   // Check that `Cast` actually extends the induction variable (we rely on this
871   // later).  This takes care of cases where `Cast` is extending a truncation of
872   // the narrow induction variable, and thus can end up being narrower than the
873   // "narrow" induction variable.
874   uint64_t NarrowIVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WI.NarrowIV->getType());
875   if (NarrowIVWidth >= Width)
876     return;
877
878   // Cast is either an sext or zext up to this point.
879   // We should not widen an indvar if arithmetics on the wider indvar are more
880   // expensive than those on the narrower indvar. We check only the cost of ADD
881   // because at least an ADD is required to increment the induction variable. We
882   // could compute more comprehensively the cost of all instructions on the
883   // induction variable when necessary.
884   if (TTI &&
885       TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add, Ty) >
886           TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add,
887                                       Cast->getOperand(0)->getType())) {
888     return;
889   }
890
891   if (!WI.WidestNativeType) {
892     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
893     WI.IsSigned = IsSigned;
894     return;
895   }
896
897   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
898   if (WI.IsSigned != IsSigned)
899     return;
900
901   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
902     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
903 }
904
905 namespace {
906
907 /// Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the WideIV that
908 /// computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids caching Use*
909 /// pointers.
910 struct NarrowIVDefUse {
911   Instruction *NarrowDef = nullptr;
912   Instruction *NarrowUse = nullptr;
913   Instruction *WideDef = nullptr;
914
915   // True if the narrow def is never negative.  Tracking this information lets
916   // us use a sign extension instead of a zero extension or vice versa, when
917   // profitable and legal.
918   bool NeverNegative = false;
919
920   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD,
921                  bool NeverNegative)
922       : NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD),
923         NeverNegative(NeverNegative) {}
924 };
925
926 /// The goal of this transform is to remove sign and zero extends without
927 /// creating any new induction variables. To do this, it creates a new phi of
928 /// the wider type and redirects all users, either removing extends or inserting
929 /// truncs whenever we stop propagating the type.
930 class WidenIV {
931   // Parameters
932   PHINode *OrigPhi;
933   Type *WideType;
934
935   // Context
936   LoopInfo        *LI;
937   Loop            *L;
938   ScalarEvolution *SE;
939   DominatorTree   *DT;
940
941   // Does the module have any calls to the llvm.experimental.guard intrinsic
942   // at all? If not we can avoid scanning instructions looking for guards.
943   bool HasGuards;
944
945   // Result
946   PHINode *WidePhi = nullptr;
947   Instruction *WideInc = nullptr;
948   const SCEV *WideIncExpr = nullptr;
949   SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts;
950
951   SmallPtrSet<Instruction *,16> Widened;
952   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
953
954   enum ExtendKind { ZeroExtended, SignExtended, Unknown };
955
956   // A map tracking the kind of extension used to widen each narrow IV
957   // and narrow IV user.
958   // Key: pointer to a narrow IV or IV user.
959   // Value: the kind of extension used to widen this Instruction.
960   DenseMap<AssertingVH<Instruction>, ExtendKind> ExtendKindMap;
961
962   using DefUserPair = std::pair<AssertingVH<Value>, AssertingVH<Instruction>>;
963
964   // A map with control-dependent ranges for post increment IV uses. The key is
965   // a pair of IV def and a use of this def denoting the context. The value is
966   // a ConstantRange representing possible values of the def at the given
967   // context.
968   DenseMap<DefUserPair, ConstantRange> PostIncRangeInfos;
969
970   Optional<ConstantRange> getPostIncRangeInfo(Value *Def,
971                                               Instruction *UseI) {
972     DefUserPair Key(Def, UseI);
973     auto It = PostIncRangeInfos.find(Key);
974     return It == PostIncRangeInfos.end()
975                ? Optional<ConstantRange>(None)
976                : Optional<ConstantRange>(It->second);
977   }
978
979   void calculatePostIncRanges(PHINode *OrigPhi);
980   void calculatePostIncRange(Instruction *NarrowDef, Instruction *NarrowUser);
981
982   void updatePostIncRangeInfo(Value *Def, Instruction *UseI, ConstantRange R) {
983     DefUserPair Key(Def, UseI);
984     auto It = PostIncRangeInfos.find(Key);
985     if (It == PostIncRangeInfos.end())
986       PostIncRangeInfos.insert({Key, R});
987     else
988       It->second = R.intersectWith(It->second);
989   }
990
991 public:
992   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo, ScalarEvolution *SEv,
993           DominatorTree *DTree, SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DI,
994           bool HasGuards)
995       : OrigPhi(WI.NarrowIV), WideType(WI.WidestNativeType), LI(LInfo),
996         L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())), SE(SEv), DT(DTree),
997         HasGuards(HasGuards), DeadInsts(DI) {
998     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
999     ExtendKindMap[OrigPhi] = WI.IsSigned ? SignExtended : ZeroExtended;
1000   }
1001
1002   PHINode *createWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
1003
1004 protected:
1005   Value *createExtendInst(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
1006                           Instruction *Use);
1007
1008   Instruction *cloneIVUser(NarrowIVDefUse DU, const SCEVAddRecExpr *WideAR);
1009   Instruction *cloneArithmeticIVUser(NarrowIVDefUse DU,
1010                                      const SCEVAddRecExpr *WideAR);
1011   Instruction *cloneBitwiseIVUser(NarrowIVDefUse DU);
1012
1013   ExtendKind getExtendKind(Instruction *I);
1014
1015   using WidenedRecTy = std::pair<const SCEVAddRecExpr *, ExtendKind>;
1016
1017   WidenedRecTy getWideRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
1018
1019   WidenedRecTy getExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
1020
1021   const SCEV *getSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
1022                               unsigned OpCode) const;
1023
1024   Instruction *widenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
1025
1026   bool widenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
1027
1028   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
1029 };
1030
1031 } // end anonymous namespace
1032
1033 /// Perform a quick domtree based check for loop invariance assuming that V is
1034 /// used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems gratuitous for this
1035 /// purpose.
1036 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
1037   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
1038   if (!Inst)
1039     return true;
1040
1041   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
1042 }
1043
1044 Value *WidenIV::createExtendInst(Value *NarrowOper, Type *WideType,
1045                                  bool IsSigned, Instruction *Use) {
1046   // Set the debug location and conservative insertion point.
1047   IRBuilder<> Builder(Use);
1048   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
1049   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
1050        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
1051        L = L->getParentLoop())
1052     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1053
1054   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
1055                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
1056 }
1057
1058 /// Instantiate a wide operation to replace a narrow operation. This only needs
1059 /// to handle operations that can evaluation to SCEVAddRec. It can safely return
1060 /// 0 for any operation we decide not to clone.
1061 Instruction *WidenIV::cloneIVUser(NarrowIVDefUse DU,
1062                                   const SCEVAddRecExpr *WideAR) {
1063   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
1064   switch (Opcode) {
1065   default:
1066     return nullptr;
1067   case Instruction::Add:
1068   case Instruction::Mul:
1069   case Instruction::UDiv:
1070   case Instruction::Sub:
1071     return cloneArithmeticIVUser(DU, WideAR);
1072
1073   case Instruction::And:
1074   case Instruction::Or:
1075   case Instruction::Xor:
1076   case Instruction::Shl:
1077   case Instruction::LShr:
1078   case Instruction::AShr:
1079     return cloneBitwiseIVUser(DU);
1080   }
1081 }
1082
1083 Instruction *WidenIV::cloneBitwiseIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
1084   Instruction *NarrowUse = DU.NarrowUse;
1085   Instruction *NarrowDef = DU.NarrowDef;
1086   Instruction *WideDef = DU.WideDef;
1087
1088   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Cloning bitwise IVUser: " << *NarrowUse << "\n");
1089
1090   // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know anything
1091   // about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is probably loop
1092   // invariant and will be folded or hoisted. If it actually comes from a
1093   // widened IV, it should be removed during a future call to widenIVUse.
1094   bool IsSigned = getExtendKind(NarrowDef) == SignExtended;
1095   Value *LHS = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef)
1096                    ? WideDef
1097                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(0), WideType,
1098                                       IsSigned, NarrowUse);
1099   Value *RHS = (NarrowUse->getOperand(1) == NarrowDef)
1100                    ? WideDef
1101                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(1), WideType,
1102                                       IsSigned, NarrowUse);
1103
1104   auto *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(NarrowUse);
1105   auto *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(), LHS, RHS,
1106                                         NarrowBO->getName());
1107   IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
1108   Builder.Insert(WideBO);
1109   WideBO->copyIRFlags(NarrowBO);
1110   return WideBO;
1111 }
1112
1113 Instruction *WidenIV::cloneArithmeticIVUser(NarrowIVDefUse DU,
1114                                             const SCEVAddRecExpr *WideAR) {
1115   Instruction *NarrowUse = DU.NarrowUse;
1116   Instruction *NarrowDef = DU.NarrowDef;
1117   Instruction *WideDef = DU.WideDef;
1118
1119   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Cloning arithmetic IVUser: " << *NarrowUse << "\n");
1120
1121   unsigned IVOpIdx = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef) ? 0 : 1;
1122
1123   // We're trying to find X such that
1124   //
1125   //  Widen(NarrowDef `op` NonIVNarrowDef) == WideAR == WideDef `op.wide` X
1126   //
1127   // We guess two solutions to X, sext(NonIVNarrowDef) and zext(NonIVNarrowDef),
1128   // and check using SCEV if any of them are correct.
1129
1130   // Returns true if extending NonIVNarrowDef according to `SignExt` is a
1131   // correct solution to X.
1132   auto GuessNonIVOperand = [&](bool SignExt) {
1133     const SCEV *WideLHS;
1134     const SCEV *WideRHS;
1135
1136     auto GetExtend = [this, SignExt](const SCEV *S, Type *Ty) {
1137       if (SignExt)
1138         return SE->getSignExtendExpr(S, Ty);
1139       return SE->getZeroExtendExpr(S, Ty);
1140     };
1141
1142     if (IVOpIdx == 0) {
1143       WideLHS = SE->getSCEV(WideDef);
1144       const SCEV *NarrowRHS = SE->getSCEV(NarrowUse->getOperand(1));
1145       WideRHS = GetExtend(NarrowRHS, WideType);
1146     } else {
1147       const SCEV *NarrowLHS = SE->getSCEV(NarrowUse->getOperand(0));
1148       WideLHS = GetExtend(NarrowLHS, WideType);
1149       WideRHS = SE->getSCEV(WideDef);
1150     }
1151
1152     // WideUse is "WideDef `op.wide` X" as described in the comment.
1153     const SCEV *WideUse = nullptr;
1154
1155     switch (NarrowUse->getOpcode()) {
1156     default:
1157       llvm_unreachable("No other possibility!");
1158
1159     case Instruction::Add:
1160       WideUse = SE->getAddExpr(WideLHS, WideRHS);
1161       break;
1162
1163     case Instruction::Mul:
1164       WideUse = SE->getMulExpr(WideLHS, WideRHS);
1165       break;
1166
1167     case Instruction::UDiv:
1168       WideUse = SE->getUDivExpr(WideLHS, WideRHS);
1169       break;
1170
1171     case Instruction::Sub:
1172       WideUse = SE->getMinusSCEV(WideLHS, WideRHS);
1173       break;
1174     }
1175
1176     return WideUse == WideAR;
1177   };
1178
1179   bool SignExtend = getExtendKind(NarrowDef) == SignExtended;
1180   if (!GuessNonIVOperand(SignExtend)) {
1181     SignExtend = !SignExtend;
1182     if (!GuessNonIVOperand(SignExtend))
1183       return nullptr;
1184   }
1185
1186   Value *LHS = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef)
1187                    ? WideDef
1188                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(0), WideType,
1189                                       SignExtend, NarrowUse);
1190   Value *RHS = (NarrowUse->getOperand(1) == NarrowDef)
1191                    ? WideDef
1192                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(1), WideType,
1193                                       SignExtend, NarrowUse);
1194
1195   auto *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(NarrowUse);
1196   auto *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(), LHS, RHS,
1197                                         NarrowBO->getName());
1198
1199   IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
1200   Builder.Insert(WideBO);
1201   WideBO->copyIRFlags(NarrowBO);
1202   return WideBO;
1203 }
1204
1205 WidenIV::ExtendKind WidenIV::getExtendKind(Instruction *I) {
1206   auto It = ExtendKindMap.find(I);
1207   assert(It != ExtendKindMap.end() && "Instruction not yet extended!");
1208   return It->second;
1209 }
1210
1211 const SCEV *WidenIV::getSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
1212                                      unsigned OpCode) const {
1213   if (OpCode == Instruction::Add)
1214     return SE->getAddExpr(LHS, RHS);
1215   if (OpCode == Instruction::Sub)
1216     return SE->getMinusSCEV(LHS, RHS);
1217   if (OpCode == Instruction::Mul)
1218     return SE->getMulExpr(LHS, RHS);
1219
1220   llvm_unreachable("Unsupported opcode.");
1221 }
1222
1223 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
1224 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
1225 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
1226 /// operands is an AddRec for this loop, return the AddRec and the kind of
1227 /// extension used.
1228 WidenIV::WidenedRecTy WidenIV::getExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
1229   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
1230   const unsigned OpCode = DU.NarrowUse->getOpcode();
1231   // Only Add/Sub/Mul instructions supported yet.
1232   if (OpCode != Instruction::Add && OpCode != Instruction::Sub &&
1233       OpCode != Instruction::Mul)
1234     return {nullptr, Unknown};
1235
1236   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
1237   // if extending the other will lead to a recurrence.
1238   const unsigned ExtendOperIdx =
1239       DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
1240   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
1241
1242   const SCEV *ExtendOperExpr = nullptr;
1243   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
1244     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
1245   ExtendKind ExtKind = getExtendKind(DU.NarrowDef);
1246   if (ExtKind == SignExtended && OBO->hasNoSignedWrap())
1247     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
1248       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1249   else if(ExtKind == ZeroExtended && OBO->hasNoUnsignedWrap())
1250     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
1251       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1252   else
1253     return {nullptr, Unknown};
1254
1255   // When creating this SCEV expr, don't apply the current operations NSW or NUW
1256   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
1257   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
1258   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
1259   // semantics to those operations.
1260   const SCEV *lhs = SE->getSCEV(DU.WideDef);
1261   const SCEV *rhs = ExtendOperExpr;
1262
1263   // Let's swap operands to the initial order for the case of non-commutative
1264   // operations, like SUB. See PR21014.
1265   if (ExtendOperIdx == 0)
1266     std::swap(lhs, rhs);
1267   const SCEVAddRecExpr *AddRec =
1268       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(getSCEVByOpCode(lhs, rhs, OpCode));
1269
1270   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1271     return {nullptr, Unknown};
1272
1273   return {AddRec, ExtKind};
1274 }
1275
1276 /// Is this instruction potentially interesting for further simplification after
1277 /// widening it's type? In other words, can the extend be safely hoisted out of
1278 /// the loop with SCEV reducing the value to a recurrence on the same loop. If
1279 /// so, return the extended recurrence and the kind of extension used. Otherwise
1280 /// return {nullptr, Unknown}.
1281 WidenIV::WidenedRecTy WidenIV::getWideRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
1282   if (!SE->isSCEVable(DU.NarrowUse->getType()))
1283     return {nullptr, Unknown};
1284
1285   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(DU.NarrowUse);
1286   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType()) >=
1287       SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
1288     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
1289     // index. So don't follow this use.
1290     return {nullptr, Unknown};
1291   }
1292
1293   const SCEV *WideExpr;
1294   ExtendKind ExtKind;
1295   if (DU.NeverNegative) {
1296     WideExpr = SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1297     if (isa<SCEVAddRecExpr>(WideExpr))
1298       ExtKind = SignExtended;
1299     else {
1300       WideExpr = SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1301       ExtKind = ZeroExtended;
1302     }
1303   } else if (getExtendKind(DU.NarrowDef) == SignExtended) {
1304     WideExpr = SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1305     ExtKind = SignExtended;
1306   } else {
1307     WideExpr = SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1308     ExtKind = ZeroExtended;
1309   }
1310   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
1311   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1312     return {nullptr, Unknown};
1313   return {AddRec, ExtKind};
1314 }
1315
1316 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
1317 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
1318 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
1319   LLVM_DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef << " for user "
1320                     << *DU.NarrowUse << "\n");
1321   IRBuilder<> Builder(
1322       getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT, LI));
1323   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1324   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1325 }
1326
1327 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
1328 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
1329 // loop preheader as far as possible.
1330 bool WidenIV::widenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
1331   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
1332   if (!Cmp)
1333     return false;
1334
1335   // We can legally widen the comparison in the following two cases:
1336   //
1337   //  - The signedness of the IV extension and comparison match
1338   //
1339   //  - The narrow IV is always positive (and thus its sign extension is equal
1340   //    to its zero extension).  For instance, let's say we're zero extending
1341   //    %narrow for the following use
1342   //
1343   //      icmp slt i32 %narrow, %val   ... (A)
1344   //
1345   //    and %narrow is always positive.  Then
1346   //
1347   //      (A) == icmp slt i32 sext(%narrow), sext(%val)
1348   //          == icmp slt i32 zext(%narrow), sext(%val)
1349   bool IsSigned = getExtendKind(DU.NarrowDef) == SignExtended;
1350   if (!(DU.NeverNegative || IsSigned == Cmp->isSigned()))
1351     return false;
1352
1353   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
1354   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
1355   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1356   assert(CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
1357
1358   // Widen the compare instruction.
1359   IRBuilder<> Builder(
1360       getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT, LI));
1361   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1362
1363   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
1364   if (CastWidth < IVWidth) {
1365     Value *ExtOp = createExtendInst(Op, WideType, Cmp->isSigned(), Cmp);
1366     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
1367   }
1368   return true;
1369 }
1370
1371 /// Determine whether an individual user of the narrow IV can be widened. If so,
1372 /// return the wide clone of the user.
1373 Instruction *WidenIV::widenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
1374   assert(ExtendKindMap.count(DU.NarrowDef) &&
1375          "Should already know the kind of extension used to widen NarrowDef");
1376
1377   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
1378   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
1379     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
1380       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
1381       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
1382       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
1383       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
1384         truncateIVUse(DU, DT, LI);
1385       else {
1386         // Widening the PHI requires us to insert a trunc.  The logical place
1387         // for this trunc is in the same BB as the PHI.  This is not possible if
1388         // the BB is terminated by a catchswitch.
1389         if (isa<CatchSwitchInst>(UsePhi->getParent()->getTerminator()))
1390           return nullptr;
1391
1392         PHINode *WidePhi =
1393           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
1394                           UsePhi);
1395         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
1396         IRBuilder<> Builder(&*WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
1397         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
1398         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
1399         DeadInsts.emplace_back(UsePhi);
1400         LLVM_DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi << " to "
1401                           << *WidePhi << "\n");
1402       }
1403       return nullptr;
1404     }
1405   }
1406
1407   // This narrow use can be widened by a sext if it's non-negative or its narrow
1408   // def was widended by a sext. Same for zext.
1409   auto canWidenBySExt = [&]() {
1410     return DU.NeverNegative || getExtendKind(DU.NarrowDef) == SignExtended;
1411   };
1412   auto canWidenByZExt = [&]() {
1413     return DU.NeverNegative || getExtendKind(DU.NarrowDef) == ZeroExtended;
1414   };
1415
1416   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1417   if ((isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) && canWidenBySExt()) ||
1418       (isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse) && canWidenByZExt())) {
1419     Value *NewDef = DU.WideDef;
1420     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1421       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1422       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1423       if (CastWidth < IVWidth) {
1424         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1425         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1426         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1427       }
1428       else {
1429         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1430         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1431         // dead. It should be very rare.
1432         LLVM_DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1433                           << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse
1434                           << "\n");
1435         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1436         NewDef = DU.NarrowUse;
1437       }
1438     }
1439     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1440       LLVM_DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1441                         << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1442       ++NumElimExt;
1443       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1444       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowUse);
1445     }
1446     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1447     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1448     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1449     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1450     // push the uses of WideDef here.
1451
1452     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1453     return nullptr;
1454   }
1455
1456   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1457   WidenedRecTy WideAddRec = getExtendedOperandRecurrence(DU);
1458   if (!WideAddRec.first)
1459     WideAddRec = getWideRecurrence(DU);
1460
1461   assert((WideAddRec.first == nullptr) == (WideAddRec.second == Unknown));
1462   if (!WideAddRec.first) {
1463     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1464     // truncating the IV first.
1465     if (widenLoopCompare(DU))
1466       return nullptr;
1467
1468     // This user does not evaluate to a recurrence after widening, so don't
1469     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1470     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1471     truncateIVUse(DU, DT, LI);
1472     return nullptr;
1473   }
1474   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1475   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1476   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1477          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1478
1479   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1480   // NarrowUse.
1481   Instruction *WideUse = nullptr;
1482   if (WideAddRec.first == WideIncExpr &&
1483       Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1484     WideUse = WideInc;
1485   else {
1486     WideUse = cloneIVUser(DU, WideAddRec.first);
1487     if (!WideUse)
1488       return nullptr;
1489   }
1490   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1491   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1492   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1493   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1494   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1495   if (WideAddRec.first != SE->getSCEV(WideUse)) {
1496     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse << ": "
1497                       << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec.first
1498                       << "\n");
1499     DeadInsts.emplace_back(WideUse);
1500     return nullptr;
1501   }
1502
1503   ExtendKindMap[DU.NarrowUse] = WideAddRec.second;
1504   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1505   return WideUse;
1506 }
1507
1508 /// Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1509 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1510   const SCEV *NarrowSCEV = SE->getSCEV(NarrowDef);
1511   bool NonNegativeDef =
1512       SE->isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, NarrowSCEV,
1513                            SE->getConstant(NarrowSCEV->getType(), 0));
1514   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1515     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1516
1517     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1518     if (!Widened.insert(NarrowUser).second)
1519       continue;
1520
1521     bool NonNegativeUse = false;
1522     if (!NonNegativeDef) {
1523       // We might have a control-dependent range information for this context.
1524       if (auto RangeInfo = getPostIncRangeInfo(NarrowDef, NarrowUser))
1525         NonNegativeUse = RangeInfo->getSignedMin().isNonNegative();
1526     }
1527
1528     NarrowIVUsers.emplace_back(NarrowDef, NarrowUser, WideDef,
1529                                NonNegativeDef || NonNegativeUse);
1530   }
1531 }
1532
1533 /// Process a single induction variable. First use the SCEVExpander to create a
1534 /// wide induction variable that evaluates to the same recurrence as the
1535 /// original narrow IV. Then use a worklist to forward traverse the narrow IV's
1536 /// def-use chain. After widenIVUse has processed all interesting IV users, the
1537 /// narrow IV will be isolated for removal by DeleteDeadPHIs.
1538 ///
1539 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1540 /// invalidating SCEV expressions.
1541 PHINode *WidenIV::createWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1542   // Is this phi an induction variable?
1543   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1544   if (!AddRec)
1545     return nullptr;
1546
1547   // Widen the induction variable expression.
1548   const SCEV *WideIVExpr = getExtendKind(OrigPhi) == SignExtended
1549                                ? SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType)
1550                                : SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1551
1552   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1553          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1554
1555   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1556   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1557   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1558     return nullptr;
1559
1560   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1561   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1562   // operands, so they must dominate the loop header.
1563   assert(
1564       SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1565       SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader()) &&
1566       "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1567
1568   // Iterate over IV uses (including transitive ones) looking for IV increments
1569   // of the form 'add nsw %iv, <const>'. For each increment and each use of
1570   // the increment calculate control-dependent range information basing on
1571   // dominating conditions inside of the loop (e.g. a range check inside of the
1572   // loop). Calculated ranges are stored in PostIncRangeInfos map.
1573   //
1574   // Control-dependent range information is later used to prove that a narrow
1575   // definition is not negative (see pushNarrowIVUsers). It's difficult to do
1576   // this on demand because when pushNarrowIVUsers needs this information some
1577   // of the dominating conditions might be already widened.
1578   if (UsePostIncrementRanges)
1579     calculatePostIncRanges(OrigPhi);
1580
1581   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1582   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1583   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1584   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1585   Instruction *InsertPt = &L->getHeader()->front();
1586   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1587
1588   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1589   // widenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1590   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1591   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1592   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1593     WideInc =
1594       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1595     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1596     // Propagate the debug location associated with the original loop increment
1597     // to the new (widened) increment.
1598     auto *OrigInc =
1599       cast<Instruction>(OrigPhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1600     WideInc->setDebugLoc(OrigInc->getDebugLoc());
1601   }
1602
1603   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1604   ++NumWidened;
1605
1606   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1607   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1608
1609   Widened.insert(OrigPhi);
1610   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1611
1612   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1613     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1614
1615     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1616     // use_iterator across it.
1617     Instruction *WideUse = widenIVUse(DU, Rewriter);
1618
1619     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1620     if (WideUse)
1621       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1622
1623     // widenIVUse may have removed the def-use edge.
1624     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1625       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowDef);
1626   }
1627
1628   // Attach any debug information to the new PHI. Since OrigPhi and WidePHI
1629   // evaluate the same recurrence, we can just copy the debug info over.
1630   SmallVector<DbgValueInst *, 1> DbgValues;
1631   llvm::findDbgValues(DbgValues, OrigPhi);
1632   auto *MDPhi = MetadataAsValue::get(WidePhi->getContext(),
1633                                      ValueAsMetadata::get(WidePhi));
1634   for (auto &DbgValue : DbgValues)
1635     DbgValue->setOperand(0, MDPhi);
1636   return WidePhi;
1637 }
1638
1639 /// Calculates control-dependent range for the given def at the given context
1640 /// by looking at dominating conditions inside of the loop
1641 void WidenIV::calculatePostIncRange(Instruction *NarrowDef,
1642                                     Instruction *NarrowUser) {
1643   using namespace llvm::PatternMatch;
1644
1645   Value *NarrowDefLHS;
1646   const APInt *NarrowDefRHS;
1647   if (!match(NarrowDef, m_NSWAdd(m_Value(NarrowDefLHS),
1648                                  m_APInt(NarrowDefRHS))) ||
1649       !NarrowDefRHS->isNonNegative())
1650     return;
1651
1652   auto UpdateRangeFromCondition = [&] (Value *Condition,
1653                                        bool TrueDest) {
1654     CmpInst::Predicate Pred;
1655     Value *CmpRHS;
1656     if (!match(Condition, m_ICmp(Pred, m_Specific(NarrowDefLHS),
1657                                  m_Value(CmpRHS))))
1658       return;
1659
1660     CmpInst::Predicate P =
1661             TrueDest ? Pred : CmpInst::getInversePredicate(Pred);
1662
1663     auto CmpRHSRange = SE->getSignedRange(SE->getSCEV(CmpRHS));
1664     auto CmpConstrainedLHSRange =
1665             ConstantRange::makeAllowedICmpRegion(P, CmpRHSRange);
1666     auto NarrowDefRange =
1667             CmpConstrainedLHSRange.addWithNoSignedWrap(*NarrowDefRHS);
1668
1669     updatePostIncRangeInfo(NarrowDef, NarrowUser, NarrowDefRange);
1670   };
1671
1672   auto UpdateRangeFromGuards = [&](Instruction *Ctx) {
1673     if (!HasGuards)
1674       return;
1675
1676     for (Instruction &I : make_range(Ctx->getIterator().getReverse(),
1677                                      Ctx->getParent()->rend())) {
1678       Value *C = nullptr;
1679       if (match(&I, m_Intrinsic<Intrinsic::experimental_guard>(m_Value(C))))
1680         UpdateRangeFromCondition(C, /*TrueDest=*/true);
1681     }
1682   };
1683
1684   UpdateRangeFromGuards(NarrowUser);
1685
1686   BasicBlock *NarrowUserBB = NarrowUser->getParent();
1687   // If NarrowUserBB is statically unreachable asking dominator queries may
1688   // yield surprising results. (e.g. the block may not have a dom tree node)
1689   if (!DT->isReachableFromEntry(NarrowUserBB))
1690     return;
1691
1692   for (auto *DTB = (*DT)[NarrowUserBB]->getIDom();
1693        L->contains(DTB->getBlock());
1694        DTB = DTB->getIDom()) {
1695     auto *BB = DTB->getBlock();
1696     auto *TI = BB->getTerminator();
1697     UpdateRangeFromGuards(TI);
1698
1699     auto *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
1700     if (!BI || !BI->isConditional())
1701       continue;
1702
1703     auto *TrueSuccessor = BI->getSuccessor(0);
1704     auto *FalseSuccessor = BI->getSuccessor(1);
1705
1706     auto DominatesNarrowUser = [this, NarrowUser] (BasicBlockEdge BBE) {
1707       return BBE.isSingleEdge() &&
1708              DT->dominates(BBE, NarrowUser->getParent());
1709     };
1710
1711     if (DominatesNarrowUser(BasicBlockEdge(BB, TrueSuccessor)))
1712       UpdateRangeFromCondition(BI->getCondition(), /*TrueDest=*/true);
1713
1714     if (DominatesNarrowUser(BasicBlockEdge(BB, FalseSuccessor)))
1715       UpdateRangeFromCondition(BI->getCondition(), /*TrueDest=*/false);
1716   }
1717 }
1718
1719 /// Calculates PostIncRangeInfos map for the given IV
1720 void WidenIV::calculatePostIncRanges(PHINode *OrigPhi) {
1721   SmallPtrSet<Instruction *, 16> Visited;
1722   SmallVector<Instruction *, 6> Worklist;
1723   Worklist.push_back(OrigPhi);
1724   Visited.insert(OrigPhi);
1725
1726   while (!Worklist.empty()) {
1727     Instruction *NarrowDef = Worklist.pop_back_val();
1728
1729     for (Use &U : NarrowDef->uses()) {
1730       auto *NarrowUser = cast<Instruction>(U.getUser());
1731
1732       // Don't go looking outside the current loop.
1733       auto *NarrowUserLoop = (*LI)[NarrowUser->getParent()];
1734       if (!NarrowUserLoop || !L->contains(NarrowUserLoop))
1735         continue;
1736
1737       if (!Visited.insert(NarrowUser).second)
1738         continue;
1739
1740       Worklist.push_back(NarrowUser);
1741
1742       calculatePostIncRange(NarrowDef, NarrowUser);
1743     }
1744   }
1745 }
1746
1747 //===----------------------------------------------------------------------===//
1748 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1749 //===----------------------------------------------------------------------===//
1750
1751 //===----------------------------------------------------------------------===//
1752 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1753 //===----------------------------------------------------------------------===//
1754
1755 namespace {
1756
1757 class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1758   ScalarEvolution *SE;
1759   const TargetTransformInfo *TTI;
1760   PHINode *IVPhi;
1761
1762 public:
1763   WideIVInfo WI;
1764
1765   IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1766                         const TargetTransformInfo *TTI,
1767                         const DominatorTree *DTree)
1768     : SE(SCEV), TTI(TTI), IVPhi(IV) {
1769     DT = DTree;
1770     WI.NarrowIV = IVPhi;
1771   }
1772
1773   // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1774   void visitCast(CastInst *Cast) override { visitIVCast(Cast, WI, SE, TTI); }
1775 };
1776
1777 } // end anonymous namespace
1778
1779 /// Iteratively perform simplification on a worklist of IV users. Each
1780 /// successive simplification may push more users which may themselves be
1781 /// candidates for simplification.
1782 ///
1783 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1784 void IndVarSimplify::simplifyAndExtend(Loop *L,
1785                                        SCEVExpander &Rewriter,
1786                                        LoopInfo *LI) {
1787   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1788
1789   auto *GuardDecl = L->getBlocks()[0]->getModule()->getFunction(
1790           Intrinsic::getName(Intrinsic::experimental_guard));
1791   bool HasGuards = GuardDecl && !GuardDecl->use_empty();
1792
1793   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1794   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1795     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1796   }
1797   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1798   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1799   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1800   // simplification on the wide IVs.
1801   while (!LoopPhis.empty()) {
1802     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1803     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1804     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1805     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1806     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1807     // other SCEV based analysis prior to simplifyAndExtend.
1808     do {
1809       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1810
1811       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1812       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, TTI, DT);
1813
1814       Changed |=
1815           simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, DT, LI, DeadInsts, Rewriter, &Visitor);
1816
1817       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1818         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1819       }
1820     } while(!LoopPhis.empty());
1821
1822     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1823       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts, HasGuards);
1824       if (PHINode *WidePhi = Widener.createWideIV(Rewriter)) {
1825         Changed = true;
1826         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1827       }
1828     }
1829   }
1830 }
1831
1832 //===----------------------------------------------------------------------===//
1833 //  linearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1834 //===----------------------------------------------------------------------===//
1835
1836 /// Return true if this loop's backedge taken count expression can be safely and
1837 /// cheaply expanded into an instruction sequence that can be used by
1838 /// linearFunctionTestReplace.
1839 ///
1840 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1841 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1842 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1843 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1844 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1845 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1846 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1847 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1848 /// into inequality tests.
1849 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE,
1850                                         SCEVExpander &Rewriter) {
1851   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1852   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1853       BackedgeTakenCount->isZero())
1854     return false;
1855
1856   if (!L->getExitingBlock())
1857     return false;
1858
1859   // Can't rewrite non-branch yet.
1860   if (!isa<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator()))
1861     return false;
1862
1863   if (Rewriter.isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, L))
1864     return false;
1865
1866   return true;
1867 }
1868
1869 /// Return the loop header phi IFF IncV adds a loop invariant value to the phi.
1870 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1871   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1872   if (!IncI)
1873     return nullptr;
1874
1875   switch (IncI->getOpcode()) {
1876   case Instruction::Add:
1877   case Instruction::Sub:
1878     break;
1879   case Instruction::GetElementPtr:
1880     // An IV counter must preserve its type.
1881     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1882       break;
1883     LLVM_FALLTHROUGH;
1884   default:
1885     return nullptr;
1886   }
1887
1888   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1889   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1890     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1891       return Phi;
1892     return nullptr;
1893   }
1894   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1895     return nullptr;
1896
1897   // Allow add/sub to be commuted.
1898   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1899   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1900     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1901       return Phi;
1902   }
1903   return nullptr;
1904 }
1905
1906 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1907 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1908   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1909
1910   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1911   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1912   if (!LatchBlock)
1913     return nullptr;
1914
1915   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1916   assert(BI && "expected exit branch");
1917
1918   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1919 }
1920
1921 /// linearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show that the
1922 /// current exit test is already sufficiently canonical.
1923 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1924   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1925   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1926   if (!Cond)
1927     return true;
1928
1929   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1930   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1931   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1932     return true;
1933
1934   // Look for a loop invariant RHS
1935   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1936   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1937   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1938     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1939       return true;
1940     std::swap(LHS, RHS);
1941   }
1942   // Look for a simple IV counter LHS
1943   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1944   if (!Phi)
1945     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1946
1947   if (!Phi)
1948     return true;
1949
1950   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1951   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1952   if (Idx < 0)
1953     return true;
1954
1955   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1956   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1957   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1958 }
1959
1960 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1961 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1962 /// that may hide undef.
1963 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1964                                unsigned Depth) {
1965   if (isa<Constant>(V))
1966     return !isa<UndefValue>(V);
1967
1968   if (Depth >= 6)
1969     return false;
1970
1971   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1972   // may be undef.
1973   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1974   if (!I)
1975     return false;
1976
1977   // Load and return values may be undef.
1978   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1979     return false;
1980
1981   // Optimistically handle other instructions.
1982   for (Value *Op : I->operands()) {
1983     if (!Visited.insert(Op).second)
1984       continue;
1985     if (!hasConcreteDefImpl(Op, Visited, Depth+1))
1986       return false;
1987   }
1988   return true;
1989 }
1990
1991 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1992 /// never reach it.
1993 ///
1994 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1995 /// may factor it into a common location.
1996 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1997   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1998   Visited.insert(V);
1999   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
2000 }
2001
2002 /// Return true if this IV has any uses other than the (soon to be rewritten)
2003 /// loop exit test.
2004 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
2005   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
2006   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
2007
2008   for (User *U : Phi->users())
2009     if (U != Cond && U != IncV) return false;
2010
2011   for (User *U : IncV->users())
2012     if (U != Cond && U != Phi) return false;
2013   return true;
2014 }
2015
2016 /// Find an affine IV in canonical form.
2017 ///
2018 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
2019 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
2020 /// expression as far as SCEV is concerned.
2021 ///
2022 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
2023 ///
2024 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
2025 ///
2026 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
2027 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
2028 /// could at least handle constant BECounts.
2029 static PHINode *FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
2030                                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT) {
2031   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
2032
2033   Value *Cond =
2034     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
2035
2036   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
2037   PHINode *BestPhi = nullptr;
2038   const SCEV *BestInit = nullptr;
2039   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
2040   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
2041   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
2042
2043   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
2044     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
2045     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
2046       continue;
2047
2048     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
2049     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
2050       continue;
2051
2052     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
2053     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
2054       continue;
2055
2056     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
2057     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
2058     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
2059     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
2060     if (PhiWidth < BCWidth || !DL.isLegalInteger(PhiWidth))
2061       continue;
2062
2063     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
2064     if (!Step || !Step->isOne())
2065       continue;
2066
2067     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
2068     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
2069     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
2070       continue;
2071
2072     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
2073     // have originally had a concrete definition.
2074     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
2075       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
2076       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
2077       // increase the number of undef users.
2078       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
2079         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT) &&
2080             Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
2081           continue;
2082         }
2083       }
2084     }
2085     const SCEV *Init = AR->getStart();
2086
2087     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
2088       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
2089       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
2090         continue;
2091
2092       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
2093       // also prefers integer to pointer IVs.
2094       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
2095         if (BestInit->isZero())
2096           continue;
2097       }
2098       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
2099       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
2100       // to allow the other to be eliminated.
2101       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
2102         continue;
2103     }
2104     BestPhi = Phi;
2105     BestInit = Init;
2106   }
2107   return BestPhi;
2108 }
2109
2110 /// Help linearFunctionTestReplace by generating a value that holds the RHS of
2111 /// the new loop test.
2112 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
2113                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
2114   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
2115   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
2116   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
2117
2118   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
2119   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
2120   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
2121   // the existing GEPs whenever possible.
2122   if (IndVar->getType()->isPointerTy() && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
2123     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
2124     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
2125     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
2126     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
2127     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
2128     // extend IVCount.
2129     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
2130     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
2131
2132     // Expand the code for the iteration count.
2133     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
2134            "Computed iteration count is not loop invariant!");
2135     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
2136     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
2137
2138     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
2139     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
2140     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
2141     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
2142     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
2143                              cast<PointerType>(GEPBase->getType())
2144                                  ->getElementType())->isOne() &&
2145            "unit stride pointer IV must be i8*");
2146
2147     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
2148     return Builder.CreateGEP(nullptr, GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
2149   } else {
2150     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
2151     // comparing. This may result in SCEV expansion of pointers, but in practice
2152     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
2153     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
2154     //
2155     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
2156     // for simple memset-style loops.
2157     //
2158     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
2159     // were generated on top of case #2, which is not expected.
2160
2161     const SCEV *IVLimit = nullptr;
2162     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
2163     // For non-zero Start, compute IVCount here.
2164     if (AR->getStart()->isZero())
2165       IVLimit = IVCount;
2166     else {
2167       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
2168       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
2169
2170       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
2171       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
2172           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
2173         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
2174
2175       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
2176     }
2177     // Expand the code for the iteration count.
2178     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
2179     IRBuilder<> Builder(BI);
2180     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
2181            "Computed iteration count is not loop invariant!");
2182     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
2183     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
2184     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
2185     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
2186       IndVar->getType() : IVCount->getType();
2187     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
2188   }
2189 }
2190
2191 /// This method rewrites the exit condition of the loop to be a canonical !=
2192 /// comparison against the incremented loop induction variable.  This pass is
2193 /// able to rewrite the exit tests of any loop where the SCEV analysis can
2194 /// determine a loop-invariant trip count of the loop, which is actually a much
2195 /// broader range than just linear tests.
2196 Value *IndVarSimplify::
2197 linearFunctionTestReplace(Loop *L,
2198                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
2199                           PHINode *IndVar,
2200                           SCEVExpander &Rewriter) {
2201   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && "precondition");
2202
2203   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
2204   Value *CmpIndVar = IndVar;
2205   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
2206
2207   assert(L->getLoopLatch() && "Loop no longer in simplified form?");
2208
2209   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
2210   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
2211   // against the preincremented value.
2212   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
2213     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
2214     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
2215     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
2216     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
2217                              SE->getOne(BackedgeTakenCount->getType()));
2218     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
2219     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
2220     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
2221     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
2222   }
2223
2224   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
2225   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() ==
2226              IndVar->getType()->isPointerTy() &&
2227          "genLoopLimit missed a cast");
2228
2229   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
2230   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
2231   ICmpInst::Predicate P;
2232   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
2233     P = ICmpInst::ICMP_NE;
2234   else
2235     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
2236
2237   LLVM_DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
2238                     << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
2239                     << "       op:\t" << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==")
2240                     << "\n"
2241                     << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
2242                     << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
2243
2244   IRBuilder<> Builder(BI);
2245
2246   // The new loop exit condition should reuse the debug location of the
2247   // original loop exit condition.
2248   if (auto *Cond = dyn_cast<Instruction>(BI->getCondition()))
2249     Builder.SetCurrentDebugLocation(Cond->getDebugLoc());
2250
2251   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
2252   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
2253   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
2254   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
2255   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
2256     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
2257     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
2258     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
2259     // For constant IVCount, avoid truncation.
2260     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
2261       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getAPInt();
2262       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getAPInt();
2263       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
2264       // above such that IVCount is now zero.
2265       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
2266         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
2267         ++Count;
2268       }
2269       else
2270         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
2271       APInt NewLimit;
2272       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
2273         NewLimit = Start - Count;
2274       else
2275         NewLimit = Start + Count;
2276       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
2277
2278       LLVM_DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
2279     } else {
2280       // We try to extend trip count first. If that doesn't work we truncate IV.
2281       // Zext(trunc(IV)) == IV implies equivalence of the following two:
2282       // Trunc(IV) == ExitCnt and IV == zext(ExitCnt). Similarly for sext. If
2283       // one of the two holds, extend the trip count, otherwise we truncate IV.
2284       bool Extended = false;
2285       const SCEV *IV = SE->getSCEV(CmpIndVar);
2286       const SCEV *ZExtTrunc =
2287            SE->getZeroExtendExpr(SE->getTruncateExpr(SE->getSCEV(CmpIndVar),
2288                                                      ExitCnt->getType()),
2289                                  CmpIndVar->getType());
2290
2291       if (ZExtTrunc == IV) {
2292         Extended = true;
2293         ExitCnt = Builder.CreateZExt(ExitCnt, IndVar->getType(),
2294                                      "wide.trip.count");
2295       } else {
2296         const SCEV *SExtTrunc =
2297           SE->getSignExtendExpr(SE->getTruncateExpr(SE->getSCEV(CmpIndVar),
2298                                                     ExitCnt->getType()),
2299                                 CmpIndVar->getType());
2300         if (SExtTrunc == IV) {
2301           Extended = true;
2302           ExitCnt = Builder.CreateSExt(ExitCnt, IndVar->getType(),
2303                                        "wide.trip.count");
2304         }
2305       }
2306
2307       if (!Extended)
2308         CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
2309                                         "lftr.wideiv");
2310     }
2311   }
2312   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
2313   Value *OrigCond = BI->getCondition();
2314   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
2315   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
2316   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
2317   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
2318   // will make old comparison dead.
2319   BI->setCondition(Cond);
2320   DeadInsts.push_back(OrigCond);
2321
2322   ++NumLFTR;
2323   Changed = true;
2324   return Cond;
2325 }
2326
2327 //===----------------------------------------------------------------------===//
2328 //  sinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
2329 //===----------------------------------------------------------------------===//
2330
2331 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
2332 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
2333 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
2334 void IndVarSimplify::sinkUnusedInvariants(Loop *L) {
2335   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
2336   if (!ExitBlock) return;
2337
2338   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
2339   if (!Preheader) return;
2340
2341   BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
2342   BasicBlock::iterator I(Preheader->getTerminator());
2343   while (I != Preheader->begin()) {
2344     --I;
2345     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
2346     if (isa<PHINode>(I))
2347       break;
2348
2349     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
2350     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
2351     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
2352     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
2353     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
2354     // block.
2355     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
2356       continue;
2357
2358     // Skip debug info intrinsics.
2359     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
2360       continue;
2361
2362     // Skip eh pad instructions.
2363     if (I->isEHPad())
2364       continue;
2365
2366     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
2367     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
2368     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
2369     // FIXME: Refactor this check somehow?
2370     if (isa<AllocaInst>(I))
2371       continue;
2372
2373     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
2374     // otherwise).
2375     bool UsedInLoop = false;
2376     for (Use &U : I->uses()) {
2377       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
2378       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
2379       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
2380         unsigned i =
2381           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
2382         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
2383       }
2384       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
2385         UsedInLoop = true;
2386         break;
2387       }
2388     }
2389
2390     // If there is, the def must remain in the preheader.
2391     if (UsedInLoop)
2392       continue;
2393
2394     // Otherwise, sink it to the exit block.
2395     Instruction *ToMove = &*I;
2396     bool Done = false;
2397
2398     if (I != Preheader->begin()) {
2399       // Skip debug info intrinsics.
2400       do {
2401         --I;
2402       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
2403
2404       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
2405         Done = true;
2406     } else {
2407       Done = true;
2408     }
2409
2410     ToMove->moveBefore(*ExitBlock, InsertPt);
2411     if (Done) break;
2412     InsertPt = ToMove->getIterator();
2413   }
2414 }
2415
2416 //===----------------------------------------------------------------------===//
2417 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
2418 //===----------------------------------------------------------------------===//
2419
2420 bool IndVarSimplify::run(Loop *L) {
2421   // We need (and expect!) the incoming loop to be in LCSSA.
2422   assert(L->isRecursivelyLCSSAForm(*DT, *LI) &&
2423          "LCSSA required to run indvars!");
2424
2425   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
2426   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
2427   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
2428   //    afterwards.
2429   //  - We depend on having a preheader; in particular,
2430   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
2431   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
2432   //    we've manually inserted one.
2433   //  - LFTR relies on having a single backedge.
2434   if (!L->isLoopSimplifyForm())
2435     return false;
2436
2437   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
2438   // transform them to use integer recurrences.
2439   rewriteNonIntegerIVs(L);
2440
2441   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2442
2443   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
2444   SCEVExpander Rewriter(*SE, DL, "indvars");
2445 #ifndef NDEBUG
2446   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
2447 #endif
2448
2449   // Eliminate redundant IV users.
2450   //
2451   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
2452   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
2453   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
2454   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
2455   Rewriter.disableCanonicalMode();
2456   simplifyAndExtend(L, Rewriter, LI);
2457
2458   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
2459   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
2460   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
2461   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
2462   // the current expressions.
2463   //
2464   if (ReplaceExitValue != NeverRepl &&
2465       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2466     rewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
2467
2468   // Eliminate redundant IV cycles.
2469   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
2470
2471   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
2472   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
2473   if (!DisableLFTR && canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) &&
2474       needsLFTR(L, DT)) {
2475     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT);
2476     if (IndVar) {
2477       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
2478       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
2479       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
2480       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
2481       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
2482       //
2483       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
2484       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
2485       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
2486       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
2487         (void)linearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
2488                                         Rewriter);
2489     }
2490   }
2491   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
2492   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
2493   // trigger.
2494   Rewriter.clear();
2495
2496   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
2497   // which are now dead.
2498   while (!DeadInsts.empty())
2499     if (Instruction *Inst =
2500             dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
2501       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
2502
2503   // The Rewriter may not be used from this point on.
2504
2505   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
2506   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
2507   sinkUnusedInvariants(L);
2508
2509   // rewriteFirstIterationLoopExitValues does not rely on the computation of
2510   // trip count and therefore can further simplify exit values in addition to
2511   // rewriteLoopExitValues.
2512   rewriteFirstIterationLoopExitValues(L);
2513
2514   // Clean up dead instructions.
2515   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
2516
2517   // Check a post-condition.
2518   assert(L->isRecursivelyLCSSAForm(*DT, *LI) &&
2519          "Indvars did not preserve LCSSA!");
2520
2521   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
2522   // ability to compute trip count.
2523 #ifndef NDEBUG
2524   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
2525     SE->forgetLoop(L);
2526     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2527     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2528         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2529       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2530                                          BackedgeTakenCount->getType());
2531     else
2532       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2533                                                  NewBECount->getType());
2534     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2535   }
2536 #endif
2537
2538   return Changed;
2539 }
2540
2541 PreservedAnalyses IndVarSimplifyPass::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM,
2542                                           LoopStandardAnalysisResults &AR,
2543                                           LPMUpdater &) {
2544   Function *F = L.getHeader()->getParent();
2545   const DataLayout &DL = F->getParent()->getDataLayout();
2546
2547   IndVarSimplify IVS(&AR.LI, &AR.SE, &AR.DT, DL, &AR.TLI, &AR.TTI);
2548   if (!IVS.run(&L))
2549     return PreservedAnalyses::all();
2550
2551   auto PA = getLoopPassPreservedAnalyses();
2552   PA.preserveSet<CFGAnalyses>();
2553   return PA;
2554 }
2555
2556 namespace {
2557
2558 struct IndVarSimplifyLegacyPass : public LoopPass {
2559   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2560
2561   IndVarSimplifyLegacyPass() : LoopPass(ID) {
2562     initializeIndVarSimplifyLegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2563   }
2564
2565   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override {
2566     if (skipLoop(L))
2567       return false;
2568
2569     auto *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
2570     auto *SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
2571     auto *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
2572     auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
2573     auto *TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
2574     auto *TTIP = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfoWrapperPass>();
2575     auto *TTI = TTIP ? &TTIP->getTTI(*L->getHeader()->getParent()) : nullptr;
2576     const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
2577
2578     IndVarSimplify IVS(LI, SE, DT, DL, TLI, TTI);
2579     return IVS.run(L);
2580   }
2581
2582   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2583     AU.setPreservesCFG();
2584     getLoopAnalysisUsage(AU);
2585   }
2586 };
2587
2588 } // end anonymous namespace
2589
2590 char IndVarSimplifyLegacyPass::ID = 0;
2591
2592 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplifyLegacyPass, "indvars",
2593                       "Induction Variable Simplification", false, false)
2594 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
2595 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplifyLegacyPass, "indvars",
2596                     "Induction Variable Simplification", false, false)
2597
2598 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
2599   return new IndVarSimplifyLegacyPass();
2600 }