]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/IndVarSimplify.cpp
Merge llvm, clang, lld, lldb, compiler-rt and libc++ r301441, and update
[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/SmallVector.h"
29 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
30 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
31 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
33 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
34 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
35 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
36 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
37 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
38 #include "llvm/IR/CFG.h"
39 #include "llvm/IR/Constants.h"
40 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
41 #include "llvm/IR/Dominators.h"
42 #include "llvm/IR/Instructions.h"
43 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
44 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
45 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
46 #include "llvm/IR/Type.h"
47 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
51 #include "llvm/Transforms/Scalar/LoopPassManager.h"
52 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
53 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
54 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
55 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
56 using namespace llvm;
57
58 #define DEBUG_TYPE "indvars"
59
60 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
61 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
62 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
63 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
64 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
65
66 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
67 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
68 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
69 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
70   "verify-indvars", cl::Hidden,
71   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
72
73 enum ReplaceExitVal { NeverRepl, OnlyCheapRepl, AlwaysRepl };
74
75 static cl::opt<ReplaceExitVal> ReplaceExitValue(
76     "replexitval", cl::Hidden, cl::init(OnlyCheapRepl),
77     cl::desc("Choose the strategy to replace exit value in IndVarSimplify"),
78     cl::values(clEnumValN(NeverRepl, "never", "never replace exit value"),
79                clEnumValN(OnlyCheapRepl, "cheap",
80                           "only replace exit value when the cost is cheap"),
81                clEnumValN(AlwaysRepl, "always",
82                           "always replace exit value whenever possible")));
83
84 static cl::opt<bool> UsePostIncrementRanges(
85   "indvars-post-increment-ranges", cl::Hidden,
86   cl::desc("Use post increment control-dependent ranges in IndVarSimplify"),
87   cl::init(true));
88
89 namespace {
90 struct RewritePhi;
91
92 class IndVarSimplify {
93   LoopInfo *LI;
94   ScalarEvolution *SE;
95   DominatorTree *DT;
96   const DataLayout &DL;
97   TargetLibraryInfo *TLI;
98   const TargetTransformInfo *TTI;
99
100   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
101   bool Changed = false;
102
103   bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
104
105   void handleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
106   void rewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
107
108   void simplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LoopInfo *LI);
109
110   bool canLoopBeDeleted(Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet);
111   void rewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
112   void rewriteFirstIterationLoopExitValues(Loop *L);
113
114   Value *linearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
115                                    PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
116
117   void sinkUnusedInvariants(Loop *L);
118
119   Value *expandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S, Loop *L,
120                             Instruction *InsertPt, Type *Ty);
121
122 public:
123   IndVarSimplify(LoopInfo *LI, ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT,
124                  const DataLayout &DL, TargetLibraryInfo *TLI,
125                  TargetTransformInfo *TTI)
126       : LI(LI), SE(SE), DT(DT), DL(DL), TLI(TLI), TTI(TTI) {}
127
128   bool run(Loop *L);
129 };
130 }
131
132 /// Return true if the SCEV expansion generated by the rewriter can replace the
133 /// original value. SCEV guarantees that it produces the same value, but the way
134 /// it is produced may be illegal IR.  Ideally, this function will only be
135 /// called for verification.
136 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
137   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
138   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
139   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
140   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
141   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
142   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
143   // bail out here.
144   //
145   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
146   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
147   Value *FromPtr = FromVal;
148   Value *ToPtr = ToVal;
149   if (auto *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
150     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
151   }
152   if (auto *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
153     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
154   }
155   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
156     // Quickly check the common case
157     if (FromPtr == ToPtr)
158       return true;
159
160     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
161     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
162     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
163     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
164     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
165     // indexed by an integer recurrence.
166
167     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
168     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
169       return false;
170
171     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
172     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
173     if (FromBase == ToBase)
174       return true;
175
176     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
177           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
178
179     return false;
180   }
181   return true;
182 }
183
184 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
185 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
186 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
187 /// common dominator for the incoming blocks.
188 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
189                                           DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
190   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
191   if (!PHI)
192     return User;
193
194   Instruction *InsertPt = nullptr;
195   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
196     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
197       continue;
198
199     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
200     if (!InsertPt) {
201       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
202       continue;
203     }
204     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
205     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
206   }
207   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
208
209   auto *DefI = dyn_cast<Instruction>(Def);
210   if (!DefI)
211     return InsertPt;
212
213   assert(DT->dominates(DefI, InsertPt) && "def does not dominate all uses");
214
215   auto *L = LI->getLoopFor(DefI->getParent());
216   assert(!L || L->contains(LI->getLoopFor(InsertPt->getParent())));
217
218   for (auto *DTN = (*DT)[InsertPt->getParent()]; DTN; DTN = DTN->getIDom())
219     if (LI->getLoopFor(DTN->getBlock()) == L)
220       return DTN->getBlock()->getTerminator();
221
222   llvm_unreachable("DefI dominates InsertPt!");
223 }
224
225 //===----------------------------------------------------------------------===//
226 // rewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
227 //===----------------------------------------------------------------------===//
228
229 /// Convert APF to an integer, if possible.
230 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
231   bool isExact = false;
232   // See if we can convert this to an int64_t
233   uint64_t UIntVal;
234   if (APF.convertToInteger(makeMutableArrayRef(UIntVal), 64, true,
235                            APFloat::rmTowardZero, &isExact) != APFloat::opOK ||
236       !isExact)
237     return false;
238   IntVal = UIntVal;
239   return true;
240 }
241
242 /// If the loop has floating induction variable then insert corresponding
243 /// integer induction variable if possible.
244 /// For example,
245 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
246 ///   bar(i)
247 /// is converted into
248 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
249 ///   bar((double)i);
250 ///
251 void IndVarSimplify::handleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
252   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
253   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
254
255   // Check incoming value.
256   auto *InitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
257
258   int64_t InitValue;
259   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
260     return;
261
262   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
263   // an add or increment value can not be represented by an integer.
264   auto *Incr = dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
265   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
266
267   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
268   // is not an integer, bail out.
269   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
270   int64_t IncValue;
271   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
272       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
273     return;
274
275   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
276   // used by the conditional terminator.
277   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
278   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
279   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
280   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
281   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
282
283   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
284   // only used by a branch, we can't transform it.
285   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
286   if (!Compare)
287     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
288   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
289       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
290     return;
291
292   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
293
294   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
295   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
296   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
297   // of the loop.
298   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
299   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
300       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
301        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
302     return;
303
304
305   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
306   // transform it.
307   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
308   int64_t ExitValue;
309   if (ExitValueVal == nullptr ||
310       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
311     return;
312
313   // Find new predicate for integer comparison.
314   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
315   switch (Compare->getPredicate()) {
316   default: return;  // Unknown comparison.
317   case CmpInst::FCMP_OEQ:
318   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
319   case CmpInst::FCMP_ONE:
320   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
321   case CmpInst::FCMP_OGT:
322   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
323   case CmpInst::FCMP_OGE:
324   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
325   case CmpInst::FCMP_OLT:
326   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
327   case CmpInst::FCMP_OLE:
328   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
329   }
330
331   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
332   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
333   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
334   // now.
335   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
336
337   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
338   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
339     return;
340
341   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
342   if (IncValue == 0)
343     return;
344
345   // Positive and negative strides have different safety conditions.
346   if (IncValue > 0) {
347     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
348     // exit value.
349     if (InitValue >= ExitValue)
350       return;
351
352     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
353     // Check for infinite loop, either:
354     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
355     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
356       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
357     }
358
359     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
360
361     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
362     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
363     // around and do things the fp IV wouldn't.
364     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
365         Leftover != 0)
366       return;
367
368     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
369     // transform the IV.
370     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
371       return;
372
373   } else {
374     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
375     // exit value.
376     if (InitValue <= ExitValue)
377       return;
378
379     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
380     // Check for infinite loop, either:
381     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
382     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
383       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
384     }
385
386     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
387
388     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
389     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
390     // around and do things the fp IV wouldn't.
391     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
392         Leftover != 0)
393       return;
394
395     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
396     // transform the IV.
397     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
398       return;
399   }
400
401   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
402
403   // Insert new integer induction variable.
404   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
405   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
406                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
407
408   Value *NewAdd =
409     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
410                               Incr->getName()+".int", Incr);
411   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
412
413   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
414                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
415                                       Compare->getName());
416
417   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
418   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
419   WeakVH WeakPH = PN;
420
421   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
422   // new comparison.
423   NewCompare->takeName(Compare);
424   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
425   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
426
427   // Delete the old floating point increment.
428   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
429   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
430
431   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
432   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
433   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
434   // int->fp cast.
435   //
436   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
437   // platforms.
438   if (WeakPH) {
439     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
440                                  &*PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
441     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
442     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
443   }
444   Changed = true;
445 }
446
447 void IndVarSimplify::rewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
448   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
449   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
450   // the SCEV routines.
451   //
452   BasicBlock *Header = L->getHeader();
453
454   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
455   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
456        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
457     PHIs.push_back(PN);
458
459   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
460     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
461       handleFloatingPointIV(L, PN);
462
463   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
464   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
465   // re-writing, the trip count may be computable.
466   if (Changed)
467     SE->forgetLoop(L);
468 }
469
470 namespace {
471 // Collect information about PHI nodes which can be transformed in
472 // rewriteLoopExitValues.
473 struct RewritePhi {
474   PHINode *PN;
475   unsigned Ith;  // Ith incoming value.
476   Value *Val;    // Exit value after expansion.
477   bool HighCost; // High Cost when expansion.
478
479   RewritePhi(PHINode *P, unsigned I, Value *V, bool H)
480       : PN(P), Ith(I), Val(V), HighCost(H) {}
481 };
482 }
483
484 Value *IndVarSimplify::expandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S,
485                                           Loop *L, Instruction *InsertPt,
486                                           Type *ResultTy) {
487   // Before expanding S into an expensive LLVM expression, see if we can use an
488   // already existing value as the expansion for S.
489   if (Value *ExistingValue = Rewriter.getExactExistingExpansion(S, InsertPt, L))
490     if (ExistingValue->getType() == ResultTy)
491       return ExistingValue;
492
493   // We didn't find anything, fall back to using SCEVExpander.
494   return Rewriter.expandCodeFor(S, ResultTy, InsertPt);
495 }
496
497 //===----------------------------------------------------------------------===//
498 // rewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
499 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
500 //===----------------------------------------------------------------------===//
501
502 /// Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
503 /// If so, this means that we can compute the final value of any expressions
504 /// that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the loop
505 /// into any instructions outside of the loop that use the final values of the
506 /// current expressions.
507 ///
508 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
509 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
510 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
511 /// constant operands at the beginning of the loop.
512 void IndVarSimplify::rewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
513   // Check a pre-condition.
514   assert(L->isRecursivelyLCSSAForm(*DT, *LI) &&
515          "Indvars did not preserve LCSSA!");
516
517   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
518   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
519
520   SmallVector<RewritePhi, 8> RewritePhiSet;
521   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
522   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
523   // the exit blocks of the loop to find them.
524   for (BasicBlock *ExitBB : ExitBlocks) {
525     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
526     // inside the loop are used on this path, skip it.
527     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
528     if (!PN) continue;
529
530     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
531
532     // Iterate over all of the PHI nodes.
533     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
534     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
535       if (PN->use_empty())
536         continue; // dead use, don't replace it
537
538       if (!SE->isSCEVable(PN->getType()))
539         continue;
540
541       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
542       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
543       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
544       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
545       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
546       SE->forgetValue(PN);
547
548       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
549       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
550         // If the value being merged in is not integer or is not defined
551         // in the loop, skip it.
552         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
553         if (!isa<Instruction>(InVal))
554           continue;
555
556         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
557         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
558           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
559
560         // Check that InVal is defined in the loop.
561         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
562         if (!L->contains(Inst))
563           continue;
564
565         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
566         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
567         // contains when the loop exits, if possible.
568         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
569         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
570             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
571           continue;
572
573         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
574         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
575         //    optimized away.
576         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
577         //    computation out of the loop
578         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
579           unsigned NumHardInternalUses = 0;
580           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
581           unsigned NumUses = 0;
582           for (auto IB = Inst->user_begin(), IE = Inst->user_end();
583                IB != IE && NumUses <= 6; ++IB) {
584             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
585             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
586             NumUses++;
587             if (L->contains(UseInstr)) {
588               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
589                 NumHardInternalUses++;
590             } else {
591               if (Opc == Instruction::PHI) {
592                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
593                 // plenty of trivial ones.
594                 NumUses--;
595                 for (auto PB = UseInstr->user_begin(),
596                           PE = UseInstr->user_end();
597                      PB != PE && NumUses <= 6; ++PB, ++NumUses) {
598                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
599                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
600                     NumSoftExternalUses++;
601                 }
602                 continue;
603               }
604               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
605                 NumSoftExternalUses++;
606             }
607           }
608           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
609             continue;
610         }
611
612         bool HighCost = Rewriter.isHighCostExpansion(ExitValue, L, Inst);
613         Value *ExitVal =
614             expandSCEVIfNeeded(Rewriter, ExitValue, L, Inst, PN->getType());
615
616         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
617                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
618
619         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
620           DeadInsts.push_back(ExitVal);
621           continue;
622         }
623
624         // Collect all the candidate PHINodes to be rewritten.
625         RewritePhiSet.emplace_back(PN, i, ExitVal, HighCost);
626       }
627     }
628   }
629
630   bool LoopCanBeDel = canLoopBeDeleted(L, RewritePhiSet);
631
632   // Transformation.
633   for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
634     PHINode *PN = Phi.PN;
635     Value *ExitVal = Phi.Val;
636
637     // Only do the rewrite when the ExitValue can be expanded cheaply.
638     // If LoopCanBeDel is true, rewrite exit value aggressively.
639     if (ReplaceExitValue == OnlyCheapRepl && !LoopCanBeDel && Phi.HighCost) {
640       DeadInsts.push_back(ExitVal);
641       continue;
642     }
643
644     Changed = true;
645     ++NumReplaced;
646     Instruction *Inst = cast<Instruction>(PN->getIncomingValue(Phi.Ith));
647     PN->setIncomingValue(Phi.Ith, ExitVal);
648
649     // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
650     // invalidating iterators.
651     if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
652       DeadInsts.push_back(Inst);
653
654     // Replace PN with ExitVal if that is legal and does not break LCSSA.
655     if (PN->getNumIncomingValues() == 1 &&
656         LI->replacementPreservesLCSSAForm(PN, ExitVal)) {
657       PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
658       PN->eraseFromParent();
659     }
660   }
661
662   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
663   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
664   Rewriter.clearInsertPoint();
665 }
666
667 //===---------------------------------------------------------------------===//
668 // rewriteFirstIterationLoopExitValues: Rewrite loop exit values if we know
669 // they will exit at the first iteration.
670 //===---------------------------------------------------------------------===//
671
672 /// Check to see if this loop has loop invariant conditions which lead to loop
673 /// exits. If so, we know that if the exit path is taken, it is at the first
674 /// loop iteration. This lets us predict exit values of PHI nodes that live in
675 /// loop header.
676 void IndVarSimplify::rewriteFirstIterationLoopExitValues(Loop *L) {
677   // Verify the input to the pass is already in LCSSA form.
678   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
679
680   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
681   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
682   auto *LoopHeader = L->getHeader();
683   assert(LoopHeader && "Invalid loop");
684
685   for (auto *ExitBB : ExitBlocks) {
686     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
687     // If there are no more PHI nodes in this exit block, then no more
688     // values defined inside the loop are used on this path.
689     while (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) {
690       for (unsigned IncomingValIdx = 0, E = PN->getNumIncomingValues();
691           IncomingValIdx != E; ++IncomingValIdx) {
692         auto *IncomingBB = PN->getIncomingBlock(IncomingValIdx);
693
694         // We currently only support loop exits from loop header. If the
695         // incoming block is not loop header, we need to recursively check
696         // all conditions starting from loop header are loop invariants.
697         // Additional support might be added in the future.
698         if (IncomingBB != LoopHeader)
699           continue;
700
701         // Get condition that leads to the exit path.
702         auto *TermInst = IncomingBB->getTerminator();
703
704         Value *Cond = nullptr;
705         if (auto *BI = dyn_cast<BranchInst>(TermInst)) {
706           // Must be a conditional branch, otherwise the block
707           // should not be in the loop.
708           Cond = BI->getCondition();
709         } else if (auto *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TermInst))
710           Cond = SI->getCondition();
711         else
712           continue;
713
714         if (!L->isLoopInvariant(Cond))
715           continue;
716
717         auto *ExitVal =
718             dyn_cast<PHINode>(PN->getIncomingValue(IncomingValIdx));
719
720         // Only deal with PHIs.
721         if (!ExitVal)
722           continue;
723
724         // If ExitVal is a PHI on the loop header, then we know its
725         // value along this exit because the exit can only be taken
726         // on the first iteration.
727         auto *LoopPreheader = L->getLoopPreheader();
728         assert(LoopPreheader && "Invalid loop");
729         int PreheaderIdx = ExitVal->getBasicBlockIndex(LoopPreheader);
730         if (PreheaderIdx != -1) {
731           assert(ExitVal->getParent() == LoopHeader &&
732                  "ExitVal must be in loop header");
733           PN->setIncomingValue(IncomingValIdx,
734               ExitVal->getIncomingValue(PreheaderIdx));
735         }
736       }
737     }
738   }
739 }
740
741 /// Check whether it is possible to delete the loop after rewriting exit
742 /// value. If it is possible, ignore ReplaceExitValue and do rewriting
743 /// aggressively.
744 bool IndVarSimplify::canLoopBeDeleted(
745     Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet) {
746
747   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
748   // If there is no preheader, the loop will not be deleted.
749   if (!Preheader)
750     return false;
751
752   // In LoopDeletion pass Loop can be deleted when ExitingBlocks.size() > 1.
753   // We obviate multiple ExitingBlocks case for simplicity.
754   // TODO: If we see testcase with multiple ExitingBlocks can be deleted
755   // after exit value rewriting, we can enhance the logic here.
756   SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
757   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
758   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
759   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
760   if (ExitBlocks.size() > 1 || ExitingBlocks.size() > 1)
761     return false;
762
763   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
764   BasicBlock::iterator BI = ExitBlock->begin();
765   while (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(BI)) {
766     Value *Incoming = P->getIncomingValueForBlock(ExitingBlocks[0]);
767
768     // If the Incoming value of P is found in RewritePhiSet, we know it
769     // could be rewritten to use a loop invariant value in transformation
770     // phase later. Skip it in the loop invariant check below.
771     bool found = false;
772     for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
773       unsigned i = Phi.Ith;
774       if (Phi.PN == P && (Phi.PN)->getIncomingValue(i) == Incoming) {
775         found = true;
776         break;
777       }
778     }
779
780     Instruction *I;
781     if (!found && (I = dyn_cast<Instruction>(Incoming)))
782       if (!L->hasLoopInvariantOperands(I))
783         return false;
784
785     ++BI;
786   }
787
788   for (auto *BB : L->blocks())
789     if (any_of(*BB, [](Instruction &I) { return I.mayHaveSideEffects(); }))
790       return false;
791
792   return true;
793 }
794
795 //===----------------------------------------------------------------------===//
796 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
797 //===----------------------------------------------------------------------===//
798
799 namespace {
800 // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
801 // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and provides
802 // the input to WidenIV.
803 struct WideIVInfo {
804   PHINode *NarrowIV = nullptr;
805   Type *WidestNativeType = nullptr; // Widest integer type created [sz]ext
806   bool IsSigned = false;            // Was a sext user seen before a zext?
807 };
808 }
809
810 /// Update information about the induction variable that is extended by this
811 /// sign or zero extend operation. This is used to determine the final width of
812 /// the IV before actually widening it.
813 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
814                         const TargetTransformInfo *TTI) {
815   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
816   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
817     return;
818
819   Type *Ty = Cast->getType();
820   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
821   if (!Cast->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(Width))
822     return;
823
824   // Check that `Cast` actually extends the induction variable (we rely on this
825   // later).  This takes care of cases where `Cast` is extending a truncation of
826   // the narrow induction variable, and thus can end up being narrower than the
827   // "narrow" induction variable.
828   uint64_t NarrowIVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WI.NarrowIV->getType());
829   if (NarrowIVWidth >= Width)
830     return;
831
832   // Cast is either an sext or zext up to this point.
833   // We should not widen an indvar if arithmetics on the wider indvar are more
834   // expensive than those on the narrower indvar. We check only the cost of ADD
835   // because at least an ADD is required to increment the induction variable. We
836   // could compute more comprehensively the cost of all instructions on the
837   // induction variable when necessary.
838   if (TTI &&
839       TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add, Ty) >
840           TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add,
841                                       Cast->getOperand(0)->getType())) {
842     return;
843   }
844
845   if (!WI.WidestNativeType) {
846     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
847     WI.IsSigned = IsSigned;
848     return;
849   }
850
851   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
852   if (WI.IsSigned != IsSigned)
853     return;
854
855   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
856     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
857 }
858
859 namespace {
860
861 /// Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the WideIV that
862 /// computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids caching Use*
863 /// pointers.
864 struct NarrowIVDefUse {
865   Instruction *NarrowDef = nullptr;
866   Instruction *NarrowUse = nullptr;
867   Instruction *WideDef = nullptr;
868
869   // True if the narrow def is never negative.  Tracking this information lets
870   // us use a sign extension instead of a zero extension or vice versa, when
871   // profitable and legal.
872   bool NeverNegative = false;
873
874   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD,
875                  bool NeverNegative)
876       : NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD),
877         NeverNegative(NeverNegative) {}
878 };
879
880 /// The goal of this transform is to remove sign and zero extends without
881 /// creating any new induction variables. To do this, it creates a new phi of
882 /// the wider type and redirects all users, either removing extends or inserting
883 /// truncs whenever we stop propagating the type.
884 ///
885 class WidenIV {
886   // Parameters
887   PHINode *OrigPhi;
888   Type *WideType;
889
890   // Context
891   LoopInfo        *LI;
892   Loop            *L;
893   ScalarEvolution *SE;
894   DominatorTree   *DT;
895
896   // Does the module have any calls to the llvm.experimental.guard intrinsic
897   // at all? If not we can avoid scanning instructions looking for guards.
898   bool HasGuards;
899
900   // Result
901   PHINode *WidePhi;
902   Instruction *WideInc;
903   const SCEV *WideIncExpr;
904   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
905
906   SmallPtrSet<Instruction *,16> Widened;
907   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
908
909   enum ExtendKind { ZeroExtended, SignExtended, Unknown };
910   // A map tracking the kind of extension used to widen each narrow IV
911   // and narrow IV user.
912   // Key: pointer to a narrow IV or IV user.
913   // Value: the kind of extension used to widen this Instruction.
914   DenseMap<AssertingVH<Instruction>, ExtendKind> ExtendKindMap;
915
916   typedef std::pair<AssertingVH<Value>, AssertingVH<Instruction>> DefUserPair;
917   // A map with control-dependent ranges for post increment IV uses. The key is
918   // a pair of IV def and a use of this def denoting the context. The value is
919   // a ConstantRange representing possible values of the def at the given
920   // context.
921   DenseMap<DefUserPair, ConstantRange> PostIncRangeInfos;
922
923   Optional<ConstantRange> getPostIncRangeInfo(Value *Def,
924                                               Instruction *UseI) {
925     DefUserPair Key(Def, UseI);
926     auto It = PostIncRangeInfos.find(Key);
927     return It == PostIncRangeInfos.end()
928                ? Optional<ConstantRange>(None)
929                : Optional<ConstantRange>(It->second);
930   }
931
932   void calculatePostIncRanges(PHINode *OrigPhi);
933   void calculatePostIncRange(Instruction *NarrowDef, Instruction *NarrowUser);
934   void updatePostIncRangeInfo(Value *Def, Instruction *UseI, ConstantRange R) {
935     DefUserPair Key(Def, UseI);
936     auto It = PostIncRangeInfos.find(Key);
937     if (It == PostIncRangeInfos.end())
938       PostIncRangeInfos.insert({Key, R});
939     else
940       It->second = R.intersectWith(It->second);
941   }
942
943 public:
944   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
945           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
946           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI, bool HasGuards) :
947     OrigPhi(WI.NarrowIV),
948     WideType(WI.WidestNativeType),
949     LI(LInfo),
950     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
951     SE(SEv),
952     DT(DTree),
953     HasGuards(HasGuards),
954     WidePhi(nullptr),
955     WideInc(nullptr),
956     WideIncExpr(nullptr),
957     DeadInsts(DI) {
958     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
959     ExtendKindMap[OrigPhi] = WI.IsSigned ? SignExtended : ZeroExtended;
960   }
961
962   PHINode *createWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
963
964 protected:
965   Value *createExtendInst(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
966                           Instruction *Use);
967
968   Instruction *cloneIVUser(NarrowIVDefUse DU, const SCEVAddRecExpr *WideAR);
969   Instruction *cloneArithmeticIVUser(NarrowIVDefUse DU,
970                                      const SCEVAddRecExpr *WideAR);
971   Instruction *cloneBitwiseIVUser(NarrowIVDefUse DU);
972
973   ExtendKind getExtendKind(Instruction *I);
974
975   typedef std::pair<const SCEVAddRecExpr *, ExtendKind> WidenedRecTy;
976
977   WidenedRecTy getWideRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
978
979   WidenedRecTy getExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
980
981   const SCEV *getSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
982                               unsigned OpCode) const;
983
984   Instruction *widenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
985
986   bool widenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
987
988   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
989 };
990 } // anonymous namespace
991
992 /// Perform a quick domtree based check for loop invariance assuming that V is
993 /// used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems gratuitous for this
994 /// purpose.
995 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
996   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
997   if (!Inst)
998     return true;
999
1000   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
1001 }
1002
1003 Value *WidenIV::createExtendInst(Value *NarrowOper, Type *WideType,
1004                                  bool IsSigned, Instruction *Use) {
1005   // Set the debug location and conservative insertion point.
1006   IRBuilder<> Builder(Use);
1007   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
1008   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
1009        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
1010        L = L->getParentLoop())
1011     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1012
1013   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
1014                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
1015 }
1016
1017 /// Instantiate a wide operation to replace a narrow operation. This only needs
1018 /// to handle operations that can evaluation to SCEVAddRec. It can safely return
1019 /// 0 for any operation we decide not to clone.
1020 Instruction *WidenIV::cloneIVUser(NarrowIVDefUse DU,
1021                                   const SCEVAddRecExpr *WideAR) {
1022   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
1023   switch (Opcode) {
1024   default:
1025     return nullptr;
1026   case Instruction::Add:
1027   case Instruction::Mul:
1028   case Instruction::UDiv:
1029   case Instruction::Sub:
1030     return cloneArithmeticIVUser(DU, WideAR);
1031
1032   case Instruction::And:
1033   case Instruction::Or:
1034   case Instruction::Xor:
1035   case Instruction::Shl:
1036   case Instruction::LShr:
1037   case Instruction::AShr:
1038     return cloneBitwiseIVUser(DU);
1039   }
1040 }
1041
1042 Instruction *WidenIV::cloneBitwiseIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
1043   Instruction *NarrowUse = DU.NarrowUse;
1044   Instruction *NarrowDef = DU.NarrowDef;
1045   Instruction *WideDef = DU.WideDef;
1046
1047   DEBUG(dbgs() << "Cloning bitwise IVUser: " << *NarrowUse << "\n");
1048
1049   // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know anything
1050   // about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is probably loop
1051   // invariant and will be folded or hoisted. If it actually comes from a
1052   // widened IV, it should be removed during a future call to widenIVUse.
1053   bool IsSigned = getExtendKind(NarrowDef) == SignExtended;
1054   Value *LHS = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef)
1055                    ? WideDef
1056                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(0), WideType,
1057                                       IsSigned, NarrowUse);
1058   Value *RHS = (NarrowUse->getOperand(1) == NarrowDef)
1059                    ? WideDef
1060                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(1), WideType,
1061                                       IsSigned, NarrowUse);
1062
1063   auto *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(NarrowUse);
1064   auto *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(), LHS, RHS,
1065                                         NarrowBO->getName());
1066   IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
1067   Builder.Insert(WideBO);
1068   WideBO->copyIRFlags(NarrowBO);
1069   return WideBO;
1070 }
1071
1072 Instruction *WidenIV::cloneArithmeticIVUser(NarrowIVDefUse DU,
1073                                             const SCEVAddRecExpr *WideAR) {
1074   Instruction *NarrowUse = DU.NarrowUse;
1075   Instruction *NarrowDef = DU.NarrowDef;
1076   Instruction *WideDef = DU.WideDef;
1077
1078   DEBUG(dbgs() << "Cloning arithmetic IVUser: " << *NarrowUse << "\n");
1079
1080   unsigned IVOpIdx = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef) ? 0 : 1;
1081
1082   // We're trying to find X such that
1083   //
1084   //  Widen(NarrowDef `op` NonIVNarrowDef) == WideAR == WideDef `op.wide` X
1085   //
1086   // We guess two solutions to X, sext(NonIVNarrowDef) and zext(NonIVNarrowDef),
1087   // and check using SCEV if any of them are correct.
1088
1089   // Returns true if extending NonIVNarrowDef according to `SignExt` is a
1090   // correct solution to X.
1091   auto GuessNonIVOperand = [&](bool SignExt) {
1092     const SCEV *WideLHS;
1093     const SCEV *WideRHS;
1094
1095     auto GetExtend = [this, SignExt](const SCEV *S, Type *Ty) {
1096       if (SignExt)
1097         return SE->getSignExtendExpr(S, Ty);
1098       return SE->getZeroExtendExpr(S, Ty);
1099     };
1100
1101     if (IVOpIdx == 0) {
1102       WideLHS = SE->getSCEV(WideDef);
1103       const SCEV *NarrowRHS = SE->getSCEV(NarrowUse->getOperand(1));
1104       WideRHS = GetExtend(NarrowRHS, WideType);
1105     } else {
1106       const SCEV *NarrowLHS = SE->getSCEV(NarrowUse->getOperand(0));
1107       WideLHS = GetExtend(NarrowLHS, WideType);
1108       WideRHS = SE->getSCEV(WideDef);
1109     }
1110
1111     // WideUse is "WideDef `op.wide` X" as described in the comment.
1112     const SCEV *WideUse = nullptr;
1113
1114     switch (NarrowUse->getOpcode()) {
1115     default:
1116       llvm_unreachable("No other possibility!");
1117
1118     case Instruction::Add:
1119       WideUse = SE->getAddExpr(WideLHS, WideRHS);
1120       break;
1121
1122     case Instruction::Mul:
1123       WideUse = SE->getMulExpr(WideLHS, WideRHS);
1124       break;
1125
1126     case Instruction::UDiv:
1127       WideUse = SE->getUDivExpr(WideLHS, WideRHS);
1128       break;
1129
1130     case Instruction::Sub:
1131       WideUse = SE->getMinusSCEV(WideLHS, WideRHS);
1132       break;
1133     }
1134
1135     return WideUse == WideAR;
1136   };
1137
1138   bool SignExtend = getExtendKind(NarrowDef) == SignExtended;
1139   if (!GuessNonIVOperand(SignExtend)) {
1140     SignExtend = !SignExtend;
1141     if (!GuessNonIVOperand(SignExtend))
1142       return nullptr;
1143   }
1144
1145   Value *LHS = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef)
1146                    ? WideDef
1147                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(0), WideType,
1148                                       SignExtend, NarrowUse);
1149   Value *RHS = (NarrowUse->getOperand(1) == NarrowDef)
1150                    ? WideDef
1151                    : createExtendInst(NarrowUse->getOperand(1), WideType,
1152                                       SignExtend, NarrowUse);
1153
1154   auto *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(NarrowUse);
1155   auto *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(), LHS, RHS,
1156                                         NarrowBO->getName());
1157
1158   IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
1159   Builder.Insert(WideBO);
1160   WideBO->copyIRFlags(NarrowBO);
1161   return WideBO;
1162 }
1163
1164 WidenIV::ExtendKind WidenIV::getExtendKind(Instruction *I) {
1165   auto It = ExtendKindMap.find(I);
1166   assert(It != ExtendKindMap.end() && "Instruction not yet extended!");
1167   return It->second;
1168 }
1169
1170 const SCEV *WidenIV::getSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
1171                                      unsigned OpCode) const {
1172   if (OpCode == Instruction::Add)
1173     return SE->getAddExpr(LHS, RHS);
1174   if (OpCode == Instruction::Sub)
1175     return SE->getMinusSCEV(LHS, RHS);
1176   if (OpCode == Instruction::Mul)
1177     return SE->getMulExpr(LHS, RHS);
1178
1179   llvm_unreachable("Unsupported opcode.");
1180 }
1181
1182 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
1183 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
1184 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
1185 /// operands is an AddRec for this loop, return the AddRec and the kind of
1186 /// extension used.
1187 WidenIV::WidenedRecTy WidenIV::getExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
1188
1189   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
1190   const unsigned OpCode = DU.NarrowUse->getOpcode();
1191   // Only Add/Sub/Mul instructions supported yet.
1192   if (OpCode != Instruction::Add && OpCode != Instruction::Sub &&
1193       OpCode != Instruction::Mul)
1194     return {nullptr, Unknown};
1195
1196   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
1197   // if extending the other will lead to a recurrence.
1198   const unsigned ExtendOperIdx =
1199       DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
1200   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
1201
1202   const SCEV *ExtendOperExpr = nullptr;
1203   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
1204     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
1205   ExtendKind ExtKind = getExtendKind(DU.NarrowDef);
1206   if (ExtKind == SignExtended && OBO->hasNoSignedWrap())
1207     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
1208       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1209   else if(ExtKind == ZeroExtended && OBO->hasNoUnsignedWrap())
1210     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
1211       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1212   else
1213     return {nullptr, Unknown};
1214
1215   // When creating this SCEV expr, don't apply the current operations NSW or NUW
1216   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
1217   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
1218   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
1219   // semantics to those operations.
1220   const SCEV *lhs = SE->getSCEV(DU.WideDef);
1221   const SCEV *rhs = ExtendOperExpr;
1222
1223   // Let's swap operands to the initial order for the case of non-commutative
1224   // operations, like SUB. See PR21014.
1225   if (ExtendOperIdx == 0)
1226     std::swap(lhs, rhs);
1227   const SCEVAddRecExpr *AddRec =
1228       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(getSCEVByOpCode(lhs, rhs, OpCode));
1229
1230   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1231     return {nullptr, Unknown};
1232
1233   return {AddRec, ExtKind};
1234 }
1235
1236 /// Is this instruction potentially interesting for further simplification after
1237 /// widening it's type? In other words, can the extend be safely hoisted out of
1238 /// the loop with SCEV reducing the value to a recurrence on the same loop. If
1239 /// so, return the extended recurrence and the kind of extension used. Otherwise
1240 /// return {nullptr, Unknown}.
1241 WidenIV::WidenedRecTy WidenIV::getWideRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
1242   if (!SE->isSCEVable(DU.NarrowUse->getType()))
1243     return {nullptr, Unknown};
1244
1245   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(DU.NarrowUse);
1246   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType()) >=
1247       SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
1248     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
1249     // index. So don't follow this use.
1250     return {nullptr, Unknown};
1251   }
1252
1253   const SCEV *WideExpr;
1254   ExtendKind ExtKind;
1255   if (DU.NeverNegative) {
1256     WideExpr = SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1257     if (isa<SCEVAddRecExpr>(WideExpr))
1258       ExtKind = SignExtended;
1259     else {
1260       WideExpr = SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1261       ExtKind = ZeroExtended;
1262     }
1263   } else if (getExtendKind(DU.NarrowDef) == SignExtended) {
1264     WideExpr = SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1265     ExtKind = SignExtended;
1266   } else {
1267     WideExpr = SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1268     ExtKind = ZeroExtended;
1269   }
1270   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
1271   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1272     return {nullptr, Unknown};
1273   return {AddRec, ExtKind};
1274 }
1275
1276 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
1277 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
1278 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
1279   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
1280         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
1281   IRBuilder<> Builder(
1282       getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT, LI));
1283   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1284   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1285 }
1286
1287 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
1288 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
1289 // loop preheader as far as possible.
1290 bool WidenIV::widenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
1291   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
1292   if (!Cmp)
1293     return false;
1294
1295   // We can legally widen the comparison in the following two cases:
1296   //
1297   //  - The signedness of the IV extension and comparison match
1298   //
1299   //  - The narrow IV is always positive (and thus its sign extension is equal
1300   //    to its zero extension).  For instance, let's say we're zero extending
1301   //    %narrow for the following use
1302   //
1303   //      icmp slt i32 %narrow, %val   ... (A)
1304   //
1305   //    and %narrow is always positive.  Then
1306   //
1307   //      (A) == icmp slt i32 sext(%narrow), sext(%val)
1308   //          == icmp slt i32 zext(%narrow), sext(%val)
1309   bool IsSigned = getExtendKind(DU.NarrowDef) == SignExtended;
1310   if (!(DU.NeverNegative || IsSigned == Cmp->isSigned()))
1311     return false;
1312
1313   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
1314   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
1315   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1316   assert (CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
1317
1318   // Widen the compare instruction.
1319   IRBuilder<> Builder(
1320       getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT, LI));
1321   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1322
1323   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
1324   if (CastWidth < IVWidth) {
1325     Value *ExtOp = createExtendInst(Op, WideType, Cmp->isSigned(), Cmp);
1326     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
1327   }
1328   return true;
1329 }
1330
1331 /// Determine whether an individual user of the narrow IV can be widened. If so,
1332 /// return the wide clone of the user.
1333 Instruction *WidenIV::widenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
1334   assert(ExtendKindMap.count(DU.NarrowDef) &&
1335          "Should already know the kind of extension used to widen NarrowDef");
1336
1337   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
1338   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
1339     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
1340       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
1341       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
1342       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
1343       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
1344         truncateIVUse(DU, DT, LI);
1345       else {
1346         // Widening the PHI requires us to insert a trunc.  The logical place
1347         // for this trunc is in the same BB as the PHI.  This is not possible if
1348         // the BB is terminated by a catchswitch.
1349         if (isa<CatchSwitchInst>(UsePhi->getParent()->getTerminator()))
1350           return nullptr;
1351
1352         PHINode *WidePhi =
1353           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
1354                           UsePhi);
1355         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
1356         IRBuilder<> Builder(&*WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
1357         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
1358         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
1359         DeadInsts.emplace_back(UsePhi);
1360         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
1361               << " to " << *WidePhi << "\n");
1362       }
1363       return nullptr;
1364     }
1365   }
1366
1367   // This narrow use can be widened by a sext if it's non-negative or its narrow
1368   // def was widended by a sext. Same for zext.
1369   auto canWidenBySExt = [&]() {
1370     return DU.NeverNegative || getExtendKind(DU.NarrowDef) == SignExtended;
1371   };
1372   auto canWidenByZExt = [&]() {
1373     return DU.NeverNegative || getExtendKind(DU.NarrowDef) == ZeroExtended;
1374   };
1375
1376   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1377   if ((isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) && canWidenBySExt()) ||
1378       (isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse) && canWidenByZExt())) {
1379     Value *NewDef = DU.WideDef;
1380     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1381       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1382       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1383       if (CastWidth < IVWidth) {
1384         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1385         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1386         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1387       }
1388       else {
1389         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1390         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1391         // dead. It should be very rare.
1392         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1393               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1394         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1395         NewDef = DU.NarrowUse;
1396       }
1397     }
1398     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1399       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1400             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1401       ++NumElimExt;
1402       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1403       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowUse);
1404     }
1405     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1406     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1407     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1408     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1409     // push the uses of WideDef here.
1410
1411     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1412     return nullptr;
1413   }
1414
1415   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1416   WidenedRecTy WideAddRec = getExtendedOperandRecurrence(DU);
1417   if (!WideAddRec.first)
1418     WideAddRec = getWideRecurrence(DU);
1419
1420   assert((WideAddRec.first == nullptr) == (WideAddRec.second == Unknown));
1421   if (!WideAddRec.first) {
1422     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1423     // truncating the IV first.
1424     if (widenLoopCompare(DU))
1425       return nullptr;
1426
1427     // This user does not evaluate to a recurrence after widening, so don't
1428     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1429     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1430     truncateIVUse(DU, DT, LI);
1431     return nullptr;
1432   }
1433   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1434   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1435   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1436          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1437
1438   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1439   // NarrowUse.
1440   Instruction *WideUse = nullptr;
1441   if (WideAddRec.first == WideIncExpr &&
1442       Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1443     WideUse = WideInc;
1444   else {
1445     WideUse = cloneIVUser(DU, WideAddRec.first);
1446     if (!WideUse)
1447       return nullptr;
1448   }
1449   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1450   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1451   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1452   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1453   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1454   if (WideAddRec.first != SE->getSCEV(WideUse)) {
1455     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1456           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec.first << "\n");
1457     DeadInsts.emplace_back(WideUse);
1458     return nullptr;
1459   }
1460
1461   ExtendKindMap[DU.NarrowUse] = WideAddRec.second;
1462   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1463   return WideUse;
1464 }
1465
1466 /// Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1467 ///
1468 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1469   const SCEV *NarrowSCEV = SE->getSCEV(NarrowDef);
1470   bool NonNegativeDef =
1471       SE->isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, NarrowSCEV,
1472                            SE->getConstant(NarrowSCEV->getType(), 0));
1473   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1474     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1475
1476     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1477     if (!Widened.insert(NarrowUser).second)
1478       continue;
1479
1480     bool NonNegativeUse = false;
1481     if (!NonNegativeDef) {
1482       // We might have a control-dependent range information for this context.
1483       if (auto RangeInfo = getPostIncRangeInfo(NarrowDef, NarrowUser))
1484         NonNegativeUse = RangeInfo->getSignedMin().isNonNegative();
1485     }
1486
1487     NarrowIVUsers.emplace_back(NarrowDef, NarrowUser, WideDef,
1488                                NonNegativeDef || NonNegativeUse);
1489   }
1490 }
1491
1492 /// Process a single induction variable. First use the SCEVExpander to create a
1493 /// wide induction variable that evaluates to the same recurrence as the
1494 /// original narrow IV. Then use a worklist to forward traverse the narrow IV's
1495 /// def-use chain. After widenIVUse has processed all interesting IV users, the
1496 /// narrow IV will be isolated for removal by DeleteDeadPHIs.
1497 ///
1498 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1499 /// invalidating SCEV expressions.
1500 ///
1501 PHINode *WidenIV::createWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1502   // Is this phi an induction variable?
1503   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1504   if (!AddRec)
1505     return nullptr;
1506
1507   // Widen the induction variable expression.
1508   const SCEV *WideIVExpr = getExtendKind(OrigPhi) == SignExtended
1509                                ? SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType)
1510                                : SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1511
1512   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1513          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1514
1515   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1516   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1517   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1518     return nullptr;
1519
1520   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1521   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1522   // operands, so they must dominate the loop header.
1523   assert(
1524       SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1525       SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader()) &&
1526       "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1527
1528   // Iterate over IV uses (including transitive ones) looking for IV increments
1529   // of the form 'add nsw %iv, <const>'. For each increment and each use of
1530   // the increment calculate control-dependent range information basing on
1531   // dominating conditions inside of the loop (e.g. a range check inside of the
1532   // loop). Calculated ranges are stored in PostIncRangeInfos map.
1533   //
1534   // Control-dependent range information is later used to prove that a narrow
1535   // definition is not negative (see pushNarrowIVUsers). It's difficult to do
1536   // this on demand because when pushNarrowIVUsers needs this information some
1537   // of the dominating conditions might be already widened.
1538   if (UsePostIncrementRanges)
1539     calculatePostIncRanges(OrigPhi);
1540
1541   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1542   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1543   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1544   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1545   Instruction *InsertPt = &L->getHeader()->front();
1546   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1547
1548   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1549   // widenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1550   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1551   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1552   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1553     WideInc =
1554       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1555     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1556     // Propagate the debug location associated with the original loop increment
1557     // to the new (widened) increment.
1558     auto *OrigInc =
1559       cast<Instruction>(OrigPhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1560     WideInc->setDebugLoc(OrigInc->getDebugLoc());
1561   }
1562
1563   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1564   ++NumWidened;
1565
1566   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1567   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1568
1569   Widened.insert(OrigPhi);
1570   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1571
1572   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1573     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1574
1575     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1576     // use_iterator across it.
1577     Instruction *WideUse = widenIVUse(DU, Rewriter);
1578
1579     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1580     if (WideUse)
1581       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1582
1583     // widenIVUse may have removed the def-use edge.
1584     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1585       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowDef);
1586   }
1587   return WidePhi;
1588 }
1589
1590 /// Calculates control-dependent range for the given def at the given context
1591 /// by looking at dominating conditions inside of the loop
1592 void WidenIV::calculatePostIncRange(Instruction *NarrowDef,
1593                                     Instruction *NarrowUser) {
1594   using namespace llvm::PatternMatch;
1595
1596   Value *NarrowDefLHS;
1597   const APInt *NarrowDefRHS;
1598   if (!match(NarrowDef, m_NSWAdd(m_Value(NarrowDefLHS),
1599                                  m_APInt(NarrowDefRHS))) ||
1600       !NarrowDefRHS->isNonNegative())
1601     return;
1602
1603   auto UpdateRangeFromCondition = [&] (Value *Condition,
1604                                        bool TrueDest) {
1605     CmpInst::Predicate Pred;
1606     Value *CmpRHS;
1607     if (!match(Condition, m_ICmp(Pred, m_Specific(NarrowDefLHS),
1608                                  m_Value(CmpRHS))))
1609       return;
1610
1611     CmpInst::Predicate P =
1612             TrueDest ? Pred : CmpInst::getInversePredicate(Pred);
1613
1614     auto CmpRHSRange = SE->getSignedRange(SE->getSCEV(CmpRHS));
1615     auto CmpConstrainedLHSRange =
1616             ConstantRange::makeAllowedICmpRegion(P, CmpRHSRange);
1617     auto NarrowDefRange =
1618             CmpConstrainedLHSRange.addWithNoSignedWrap(*NarrowDefRHS);
1619
1620     updatePostIncRangeInfo(NarrowDef, NarrowUser, NarrowDefRange);
1621   };
1622
1623   auto UpdateRangeFromGuards = [&](Instruction *Ctx) {
1624     if (!HasGuards)
1625       return;
1626
1627     for (Instruction &I : make_range(Ctx->getIterator().getReverse(),
1628                                      Ctx->getParent()->rend())) {
1629       Value *C = nullptr;
1630       if (match(&I, m_Intrinsic<Intrinsic::experimental_guard>(m_Value(C))))
1631         UpdateRangeFromCondition(C, /*TrueDest=*/true);
1632     }
1633   };
1634
1635   UpdateRangeFromGuards(NarrowUser);
1636
1637   BasicBlock *NarrowUserBB = NarrowUser->getParent();
1638   // If NarrowUserBB is statically unreachable asking dominator queries may
1639   // yield surprising results. (e.g. the block may not have a dom tree node)
1640   if (!DT->isReachableFromEntry(NarrowUserBB))
1641     return;
1642
1643   for (auto *DTB = (*DT)[NarrowUserBB]->getIDom();
1644        L->contains(DTB->getBlock());
1645        DTB = DTB->getIDom()) {
1646     auto *BB = DTB->getBlock();
1647     auto *TI = BB->getTerminator();
1648     UpdateRangeFromGuards(TI);
1649
1650     auto *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
1651     if (!BI || !BI->isConditional())
1652       continue;
1653
1654     auto *TrueSuccessor = BI->getSuccessor(0);
1655     auto *FalseSuccessor = BI->getSuccessor(1);
1656
1657     auto DominatesNarrowUser = [this, NarrowUser] (BasicBlockEdge BBE) {
1658       return BBE.isSingleEdge() &&
1659              DT->dominates(BBE, NarrowUser->getParent());
1660     };
1661
1662     if (DominatesNarrowUser(BasicBlockEdge(BB, TrueSuccessor)))
1663       UpdateRangeFromCondition(BI->getCondition(), /*TrueDest=*/true);
1664
1665     if (DominatesNarrowUser(BasicBlockEdge(BB, FalseSuccessor)))
1666       UpdateRangeFromCondition(BI->getCondition(), /*TrueDest=*/false);
1667   }
1668 }
1669
1670 /// Calculates PostIncRangeInfos map for the given IV
1671 void WidenIV::calculatePostIncRanges(PHINode *OrigPhi) {
1672   SmallPtrSet<Instruction *, 16> Visited;
1673   SmallVector<Instruction *, 6> Worklist;
1674   Worklist.push_back(OrigPhi);
1675   Visited.insert(OrigPhi);
1676
1677   while (!Worklist.empty()) {
1678     Instruction *NarrowDef = Worklist.pop_back_val();
1679
1680     for (Use &U : NarrowDef->uses()) {
1681       auto *NarrowUser = cast<Instruction>(U.getUser());
1682
1683       // Don't go looking outside the current loop.
1684       auto *NarrowUserLoop = (*LI)[NarrowUser->getParent()];
1685       if (!NarrowUserLoop || !L->contains(NarrowUserLoop))
1686         continue;
1687
1688       if (!Visited.insert(NarrowUser).second)
1689         continue;
1690
1691       Worklist.push_back(NarrowUser);
1692
1693       calculatePostIncRange(NarrowDef, NarrowUser);
1694     }
1695   }
1696 }
1697
1698 //===----------------------------------------------------------------------===//
1699 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1700 //===----------------------------------------------------------------------===//
1701
1702
1703 //===----------------------------------------------------------------------===//
1704 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1705 //===----------------------------------------------------------------------===//
1706
1707 namespace {
1708 class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1709   ScalarEvolution *SE;
1710   const TargetTransformInfo *TTI;
1711   PHINode *IVPhi;
1712
1713 public:
1714   WideIVInfo WI;
1715
1716   IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1717                         const TargetTransformInfo *TTI,
1718                         const DominatorTree *DTree)
1719     : SE(SCEV), TTI(TTI), IVPhi(IV) {
1720     DT = DTree;
1721     WI.NarrowIV = IVPhi;
1722   }
1723
1724   // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1725   void visitCast(CastInst *Cast) override { visitIVCast(Cast, WI, SE, TTI); }
1726 };
1727 }
1728
1729 /// Iteratively perform simplification on a worklist of IV users. Each
1730 /// successive simplification may push more users which may themselves be
1731 /// candidates for simplification.
1732 ///
1733 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1734 ///
1735 void IndVarSimplify::simplifyAndExtend(Loop *L,
1736                                        SCEVExpander &Rewriter,
1737                                        LoopInfo *LI) {
1738   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1739
1740   auto *GuardDecl = L->getBlocks()[0]->getModule()->getFunction(
1741           Intrinsic::getName(Intrinsic::experimental_guard));
1742   bool HasGuards = GuardDecl && !GuardDecl->use_empty();
1743
1744   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1745   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1746     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1747   }
1748   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1749   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1750   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1751   // simplification on the wide IVs.
1752   while (!LoopPhis.empty()) {
1753     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1754     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1755     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1756     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1757     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1758     // other SCEV based analysis prior to simplifyAndExtend.
1759     do {
1760       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1761
1762       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1763       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, TTI, DT);
1764
1765       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, DT, LI, DeadInsts, &Visitor);
1766
1767       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1768         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1769       }
1770     } while(!LoopPhis.empty());
1771
1772     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1773       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts, HasGuards);
1774       if (PHINode *WidePhi = Widener.createWideIV(Rewriter)) {
1775         Changed = true;
1776         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1777       }
1778     }
1779   }
1780 }
1781
1782 //===----------------------------------------------------------------------===//
1783 //  linearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1784 //===----------------------------------------------------------------------===//
1785
1786 /// Return true if this loop's backedge taken count expression can be safely and
1787 /// cheaply expanded into an instruction sequence that can be used by
1788 /// linearFunctionTestReplace.
1789 ///
1790 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1791 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1792 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1793 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1794 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1795 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1796 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1797 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1798 /// into inequality tests.
1799 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE,
1800                                         SCEVExpander &Rewriter) {
1801   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1802   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1803       BackedgeTakenCount->isZero())
1804     return false;
1805
1806   if (!L->getExitingBlock())
1807     return false;
1808
1809   // Can't rewrite non-branch yet.
1810   if (!isa<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator()))
1811     return false;
1812
1813   if (Rewriter.isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, L))
1814     return false;
1815
1816   return true;
1817 }
1818
1819 /// Return the loop header phi IFF IncV adds a loop invariant value to the phi.
1820 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1821   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1822   if (!IncI)
1823     return nullptr;
1824
1825   switch (IncI->getOpcode()) {
1826   case Instruction::Add:
1827   case Instruction::Sub:
1828     break;
1829   case Instruction::GetElementPtr:
1830     // An IV counter must preserve its type.
1831     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1832       break;
1833   default:
1834     return nullptr;
1835   }
1836
1837   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1838   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1839     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1840       return Phi;
1841     return nullptr;
1842   }
1843   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1844     return nullptr;
1845
1846   // Allow add/sub to be commuted.
1847   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1848   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1849     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1850       return Phi;
1851   }
1852   return nullptr;
1853 }
1854
1855 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1856 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1857   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1858
1859   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1860   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1861   if (!LatchBlock)
1862     return nullptr;
1863
1864   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1865   assert(BI && "expected exit branch");
1866
1867   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1868 }
1869
1870 /// linearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show that the
1871 /// current exit test is already sufficiently canonical.
1872 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1873   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1874   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1875   if (!Cond)
1876     return true;
1877
1878   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1879   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1880   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1881     return true;
1882
1883   // Look for a loop invariant RHS
1884   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1885   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1886   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1887     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1888       return true;
1889     std::swap(LHS, RHS);
1890   }
1891   // Look for a simple IV counter LHS
1892   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1893   if (!Phi)
1894     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1895
1896   if (!Phi)
1897     return true;
1898
1899   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1900   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1901   if (Idx < 0)
1902     return true;
1903
1904   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1905   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1906   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1907 }
1908
1909 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1910 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1911 /// that may hide undef.
1912 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1913                                unsigned Depth) {
1914   if (isa<Constant>(V))
1915     return !isa<UndefValue>(V);
1916
1917   if (Depth >= 6)
1918     return false;
1919
1920   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1921   // may be undef.
1922   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1923   if (!I)
1924     return false;
1925
1926   // Load and return values may be undef.
1927   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1928     return false;
1929
1930   // Optimistically handle other instructions.
1931   for (Value *Op : I->operands()) {
1932     if (!Visited.insert(Op).second)
1933       continue;
1934     if (!hasConcreteDefImpl(Op, Visited, Depth+1))
1935       return false;
1936   }
1937   return true;
1938 }
1939
1940 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1941 /// never reach it.
1942 ///
1943 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1944 /// may factor it into a common location.
1945 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1946   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1947   Visited.insert(V);
1948   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1949 }
1950
1951 /// Return true if this IV has any uses other than the (soon to be rewritten)
1952 /// loop exit test.
1953 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1954   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1955   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1956
1957   for (User *U : Phi->users())
1958     if (U != Cond && U != IncV) return false;
1959
1960   for (User *U : IncV->users())
1961     if (U != Cond && U != Phi) return false;
1962   return true;
1963 }
1964
1965 /// Find an affine IV in canonical form.
1966 ///
1967 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1968 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1969 /// expression as far as SCEV is concerned.
1970 ///
1971 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1972 ///
1973 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1974 ///
1975 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1976 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1977 /// could at least handle constant BECounts.
1978 static PHINode *FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1979                                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT) {
1980   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1981
1982   Value *Cond =
1983     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1984
1985   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1986   PHINode *BestPhi = nullptr;
1987   const SCEV *BestInit = nullptr;
1988   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1989   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1990   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1991
1992   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1993     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1994     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1995       continue;
1996
1997     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1998     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1999       continue;
2000
2001     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
2002     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
2003       continue;
2004
2005     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
2006     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
2007     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
2008     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
2009     if (PhiWidth < BCWidth || !DL.isLegalInteger(PhiWidth))
2010       continue;
2011
2012     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
2013     if (!Step || !Step->isOne())
2014       continue;
2015
2016     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
2017     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
2018     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
2019       continue;
2020
2021     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
2022     // have originally had a concrete definition.
2023     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
2024       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
2025       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
2026       // increase the number of undef users.
2027       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
2028         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT) &&
2029             Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
2030           continue;
2031         }
2032       }
2033     }
2034     const SCEV *Init = AR->getStart();
2035
2036     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
2037       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
2038       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
2039         continue;
2040
2041       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
2042       // also prefers integer to pointer IVs.
2043       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
2044         if (BestInit->isZero())
2045           continue;
2046       }
2047       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
2048       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
2049       // to allow the other to be eliminated.
2050       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
2051         continue;
2052     }
2053     BestPhi = Phi;
2054     BestInit = Init;
2055   }
2056   return BestPhi;
2057 }
2058
2059 /// Help linearFunctionTestReplace by generating a value that holds the RHS of
2060 /// the new loop test.
2061 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
2062                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
2063   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
2064   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
2065   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
2066
2067   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
2068   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
2069   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
2070   // the existing GEPs whenever possible.
2071   if (IndVar->getType()->isPointerTy() && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
2072     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
2073     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
2074     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
2075     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
2076     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
2077     // extend IVCount.
2078     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
2079     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
2080
2081     // Expand the code for the iteration count.
2082     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
2083            "Computed iteration count is not loop invariant!");
2084     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
2085     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
2086
2087     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
2088     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
2089     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
2090     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
2091     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
2092                              cast<PointerType>(GEPBase->getType())
2093                                  ->getElementType())->isOne() &&
2094            "unit stride pointer IV must be i8*");
2095
2096     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
2097     return Builder.CreateGEP(nullptr, GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
2098   } else {
2099     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
2100     // comparing. This may result in SCEV expansion of pointers, but in practice
2101     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
2102     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
2103     //
2104     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
2105     // for simple memset-style loops.
2106     //
2107     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
2108     // were generated on top of case #2, which is not expected.
2109
2110     const SCEV *IVLimit = nullptr;
2111     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
2112     // For non-zero Start, compute IVCount here.
2113     if (AR->getStart()->isZero())
2114       IVLimit = IVCount;
2115     else {
2116       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
2117       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
2118
2119       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
2120       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
2121           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
2122         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
2123
2124       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
2125     }
2126     // Expand the code for the iteration count.
2127     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
2128     IRBuilder<> Builder(BI);
2129     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
2130            "Computed iteration count is not loop invariant!");
2131     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
2132     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
2133     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
2134     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
2135       IndVar->getType() : IVCount->getType();
2136     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
2137   }
2138 }
2139
2140 /// This method rewrites the exit condition of the loop to be a canonical !=
2141 /// comparison against the incremented loop induction variable.  This pass is
2142 /// able to rewrite the exit tests of any loop where the SCEV analysis can
2143 /// determine a loop-invariant trip count of the loop, which is actually a much
2144 /// broader range than just linear tests.
2145 Value *IndVarSimplify::
2146 linearFunctionTestReplace(Loop *L,
2147                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
2148                           PHINode *IndVar,
2149                           SCEVExpander &Rewriter) {
2150   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && "precondition");
2151
2152   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
2153   Value *CmpIndVar = IndVar;
2154   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
2155
2156   assert(L->getLoopLatch() && "Loop no longer in simplified form?");
2157
2158   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
2159   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
2160   // against the preincremented value.
2161   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
2162     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
2163     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
2164     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
2165     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
2166                              SE->getOne(BackedgeTakenCount->getType()));
2167     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
2168     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
2169     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
2170     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
2171   }
2172
2173   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
2174   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() ==
2175              IndVar->getType()->isPointerTy() &&
2176          "genLoopLimit missed a cast");
2177
2178   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
2179   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
2180   ICmpInst::Predicate P;
2181   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
2182     P = ICmpInst::ICMP_NE;
2183   else
2184     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
2185
2186   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
2187                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
2188                << "       op:\t"
2189                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
2190                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
2191                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
2192
2193   IRBuilder<> Builder(BI);
2194
2195   // The new loop exit condition should reuse the debug location of the
2196   // original loop exit condition.
2197   if (auto *Cond = dyn_cast<Instruction>(BI->getCondition()))
2198     Builder.SetCurrentDebugLocation(Cond->getDebugLoc());
2199
2200   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
2201   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
2202   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
2203   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
2204   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
2205     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
2206     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
2207     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
2208     // For constant IVCount, avoid truncation.
2209     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
2210       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getAPInt();
2211       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getAPInt();
2212       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
2213       // above such that IVCount is now zero.
2214       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
2215         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
2216         ++Count;
2217       }
2218       else
2219         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
2220       APInt NewLimit;
2221       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
2222         NewLimit = Start - Count;
2223       else
2224         NewLimit = Start + Count;
2225       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
2226
2227       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
2228     } else {
2229       // We try to extend trip count first. If that doesn't work we truncate IV.
2230       // Zext(trunc(IV)) == IV implies equivalence of the following two:
2231       // Trunc(IV) == ExitCnt and IV == zext(ExitCnt). Similarly for sext. If
2232       // one of the two holds, extend the trip count, otherwise we truncate IV.
2233       bool Extended = false;
2234       const SCEV *IV = SE->getSCEV(CmpIndVar);
2235       const SCEV *ZExtTrunc =
2236            SE->getZeroExtendExpr(SE->getTruncateExpr(SE->getSCEV(CmpIndVar),
2237                                                      ExitCnt->getType()),
2238                                  CmpIndVar->getType());
2239
2240       if (ZExtTrunc == IV) {
2241         Extended = true;
2242         ExitCnt = Builder.CreateZExt(ExitCnt, IndVar->getType(),
2243                                      "wide.trip.count");
2244       } else {
2245         const SCEV *SExtTrunc =
2246           SE->getSignExtendExpr(SE->getTruncateExpr(SE->getSCEV(CmpIndVar),
2247                                                     ExitCnt->getType()),
2248                                 CmpIndVar->getType());
2249         if (SExtTrunc == IV) {
2250           Extended = true;
2251           ExitCnt = Builder.CreateSExt(ExitCnt, IndVar->getType(),
2252                                        "wide.trip.count");
2253         }
2254       }
2255
2256       if (!Extended)
2257         CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
2258                                         "lftr.wideiv");
2259     }
2260   }
2261   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
2262   Value *OrigCond = BI->getCondition();
2263   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
2264   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
2265   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
2266   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
2267   // will make old comparison dead.
2268   BI->setCondition(Cond);
2269   DeadInsts.push_back(OrigCond);
2270
2271   ++NumLFTR;
2272   Changed = true;
2273   return Cond;
2274 }
2275
2276 //===----------------------------------------------------------------------===//
2277 //  sinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
2278 //===----------------------------------------------------------------------===//
2279
2280 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
2281 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
2282 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
2283 void IndVarSimplify::sinkUnusedInvariants(Loop *L) {
2284   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
2285   if (!ExitBlock) return;
2286
2287   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
2288   if (!Preheader) return;
2289
2290   BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
2291   BasicBlock::iterator I(Preheader->getTerminator());
2292   while (I != Preheader->begin()) {
2293     --I;
2294     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
2295     if (isa<PHINode>(I))
2296       break;
2297
2298     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
2299     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
2300     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
2301     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
2302     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
2303     // block.
2304     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
2305       continue;
2306
2307     // Skip debug info intrinsics.
2308     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
2309       continue;
2310
2311     // Skip eh pad instructions.
2312     if (I->isEHPad())
2313       continue;
2314
2315     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
2316     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
2317     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
2318     // FIXME: Refactor this check somehow?
2319     if (isa<AllocaInst>(I))
2320       continue;
2321
2322     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
2323     // otherwise).
2324     bool UsedInLoop = false;
2325     for (Use &U : I->uses()) {
2326       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
2327       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
2328       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
2329         unsigned i =
2330           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
2331         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
2332       }
2333       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
2334         UsedInLoop = true;
2335         break;
2336       }
2337     }
2338
2339     // If there is, the def must remain in the preheader.
2340     if (UsedInLoop)
2341       continue;
2342
2343     // Otherwise, sink it to the exit block.
2344     Instruction *ToMove = &*I;
2345     bool Done = false;
2346
2347     if (I != Preheader->begin()) {
2348       // Skip debug info intrinsics.
2349       do {
2350         --I;
2351       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
2352
2353       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
2354         Done = true;
2355     } else {
2356       Done = true;
2357     }
2358
2359     ToMove->moveBefore(*ExitBlock, InsertPt);
2360     if (Done) break;
2361     InsertPt = ToMove->getIterator();
2362   }
2363 }
2364
2365 //===----------------------------------------------------------------------===//
2366 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
2367 //===----------------------------------------------------------------------===//
2368
2369 bool IndVarSimplify::run(Loop *L) {
2370   // We need (and expect!) the incoming loop to be in LCSSA.
2371   assert(L->isRecursivelyLCSSAForm(*DT, *LI) &&
2372          "LCSSA required to run indvars!");
2373
2374   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
2375   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
2376   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
2377   //    afterwards.
2378   //  - We depend on having a preheader; in particular,
2379   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
2380   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
2381   //    we've manually inserted one.
2382   //  - LFTR relies on having a single backedge.
2383   if (!L->isLoopSimplifyForm())
2384     return false;
2385
2386   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
2387   // transform them to use integer recurrences.
2388   rewriteNonIntegerIVs(L);
2389
2390   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2391
2392   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
2393   SCEVExpander Rewriter(*SE, DL, "indvars");
2394 #ifndef NDEBUG
2395   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
2396 #endif
2397
2398   // Eliminate redundant IV users.
2399   //
2400   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
2401   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
2402   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
2403   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
2404   Rewriter.disableCanonicalMode();
2405   simplifyAndExtend(L, Rewriter, LI);
2406
2407   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
2408   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
2409   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
2410   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
2411   // the current expressions.
2412   //
2413   if (ReplaceExitValue != NeverRepl &&
2414       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2415     rewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
2416
2417   // Eliminate redundant IV cycles.
2418   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
2419
2420   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
2421   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
2422   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && needsLFTR(L, DT)) {
2423     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT);
2424     if (IndVar) {
2425       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
2426       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
2427       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
2428       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
2429       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
2430       //
2431       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
2432       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
2433       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
2434       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
2435         (void)linearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
2436                                         Rewriter);
2437     }
2438   }
2439   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
2440   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
2441   // trigger.
2442   Rewriter.clear();
2443
2444   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
2445   // which are now dead.
2446   while (!DeadInsts.empty())
2447     if (Instruction *Inst =
2448             dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
2449       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
2450
2451   // The Rewriter may not be used from this point on.
2452
2453   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
2454   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
2455   sinkUnusedInvariants(L);
2456
2457   // rewriteFirstIterationLoopExitValues does not rely on the computation of
2458   // trip count and therefore can further simplify exit values in addition to
2459   // rewriteLoopExitValues.
2460   rewriteFirstIterationLoopExitValues(L);
2461
2462   // Clean up dead instructions.
2463   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
2464
2465   // Check a post-condition.
2466   assert(L->isRecursivelyLCSSAForm(*DT, *LI) &&
2467          "Indvars did not preserve LCSSA!");
2468
2469   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
2470   // ability to compute trip count.
2471 #ifndef NDEBUG
2472   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
2473     SE->forgetLoop(L);
2474     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2475     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2476         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2477       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2478                                          BackedgeTakenCount->getType());
2479     else
2480       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2481                                                  NewBECount->getType());
2482     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2483   }
2484 #endif
2485
2486   return Changed;
2487 }
2488
2489 PreservedAnalyses IndVarSimplifyPass::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM,
2490                                           LoopStandardAnalysisResults &AR,
2491                                           LPMUpdater &) {
2492   Function *F = L.getHeader()->getParent();
2493   const DataLayout &DL = F->getParent()->getDataLayout();
2494
2495   IndVarSimplify IVS(&AR.LI, &AR.SE, &AR.DT, DL, &AR.TLI, &AR.TTI);
2496   if (!IVS.run(&L))
2497     return PreservedAnalyses::all();
2498
2499   auto PA = getLoopPassPreservedAnalyses();
2500   PA.preserveSet<CFGAnalyses>();
2501   return PA;
2502 }
2503
2504 namespace {
2505 struct IndVarSimplifyLegacyPass : public LoopPass {
2506   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2507   IndVarSimplifyLegacyPass() : LoopPass(ID) {
2508     initializeIndVarSimplifyLegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2509   }
2510
2511   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override {
2512     if (skipLoop(L))
2513       return false;
2514
2515     auto *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
2516     auto *SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
2517     auto *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
2518     auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
2519     auto *TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
2520     auto *TTIP = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfoWrapperPass>();
2521     auto *TTI = TTIP ? &TTIP->getTTI(*L->getHeader()->getParent()) : nullptr;
2522     const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
2523
2524     IndVarSimplify IVS(LI, SE, DT, DL, TLI, TTI);
2525     return IVS.run(L);
2526   }
2527
2528   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2529     AU.setPreservesCFG();
2530     getLoopAnalysisUsage(AU);
2531   }
2532 };
2533 }
2534
2535 char IndVarSimplifyLegacyPass::ID = 0;
2536 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplifyLegacyPass, "indvars",
2537                       "Induction Variable Simplification", false, false)
2538 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
2539 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplifyLegacyPass, "indvars",
2540                     "Induction Variable Simplification", false, false)
2541
2542 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
2543   return new IndVarSimplifyLegacyPass();
2544 }