]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/InductiveRangeCheckElimination.cpp
Merge llvm, clang, compiler-rt, libc++, libunwind, lld, lldb and openmp
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / Scalar / InductiveRangeCheckElimination.cpp
1 //===- InductiveRangeCheckElimination.cpp - -------------------------------===//
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 // The InductiveRangeCheckElimination pass splits a loop's iteration space into
11 // three disjoint ranges.  It does that in a way such that the loop running in
12 // the middle loop provably does not need range checks. As an example, it will
13 // convert
14 //
15 //   len = < known positive >
16 //   for (i = 0; i < n; i++) {
17 //     if (0 <= i && i < len) {
18 //       do_something();
19 //     } else {
20 //       throw_out_of_bounds();
21 //     }
22 //   }
23 //
24 // to
25 //
26 //   len = < known positive >
27 //   limit = smin(n, len)
28 //   // no first segment
29 //   for (i = 0; i < limit; i++) {
30 //     if (0 <= i && i < len) { // this check is fully redundant
31 //       do_something();
32 //     } else {
33 //       throw_out_of_bounds();
34 //     }
35 //   }
36 //   for (i = limit; i < n; i++) {
37 //     if (0 <= i && i < len) {
38 //       do_something();
39 //     } else {
40 //       throw_out_of_bounds();
41 //     }
42 //   }
43 //
44 //===----------------------------------------------------------------------===//
45
46 #include "llvm/Transforms/Scalar/InductiveRangeCheckElimination.h"
47 #include "llvm/ADT/APInt.h"
48 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
49 #include "llvm/ADT/None.h"
50 #include "llvm/ADT/Optional.h"
51 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
52 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
53 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
54 #include "llvm/ADT/Twine.h"
55 #include "llvm/Analysis/BranchProbabilityInfo.h"
56 #include "llvm/Analysis/LoopAnalysisManager.h"
57 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
58 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
59 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
60 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
61 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
62 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
63 #include "llvm/IR/CFG.h"
64 #include "llvm/IR/Constants.h"
65 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
66 #include "llvm/IR/Dominators.h"
67 #include "llvm/IR/Function.h"
68 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
69 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
70 #include "llvm/IR/Instructions.h"
71 #include "llvm/IR/Metadata.h"
72 #include "llvm/IR/Module.h"
73 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
74 #include "llvm/IR/Type.h"
75 #include "llvm/IR/Use.h"
76 #include "llvm/IR/User.h"
77 #include "llvm/IR/Value.h"
78 #include "llvm/Pass.h"
79 #include "llvm/Support/BranchProbability.h"
80 #include "llvm/Support/Casting.h"
81 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
82 #include "llvm/Support/Compiler.h"
83 #include "llvm/Support/Debug.h"
84 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
85 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
86 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
87 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
88 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopSimplify.h"
89 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
90 #include "llvm/Transforms/Utils/ValueMapper.h"
91 #include <algorithm>
92 #include <cassert>
93 #include <iterator>
94 #include <limits>
95 #include <utility>
96 #include <vector>
97
98 using namespace llvm;
99 using namespace llvm::PatternMatch;
100
101 static cl::opt<unsigned> LoopSizeCutoff("irce-loop-size-cutoff", cl::Hidden,
102                                         cl::init(64));
103
104 static cl::opt<bool> PrintChangedLoops("irce-print-changed-loops", cl::Hidden,
105                                        cl::init(false));
106
107 static cl::opt<bool> PrintRangeChecks("irce-print-range-checks", cl::Hidden,
108                                       cl::init(false));
109
110 static cl::opt<int> MaxExitProbReciprocal("irce-max-exit-prob-reciprocal",
111                                           cl::Hidden, cl::init(10));
112
113 static cl::opt<bool> SkipProfitabilityChecks("irce-skip-profitability-checks",
114                                              cl::Hidden, cl::init(false));
115
116 static cl::opt<bool> AllowUnsignedLatchCondition("irce-allow-unsigned-latch",
117                                                  cl::Hidden, cl::init(true));
118
119 static const char *ClonedLoopTag = "irce.loop.clone";
120
121 #define DEBUG_TYPE "irce"
122
123 namespace {
124
125 /// An inductive range check is conditional branch in a loop with
126 ///
127 ///  1. a very cold successor (i.e. the branch jumps to that successor very
128 ///     rarely)
129 ///
130 ///  and
131 ///
132 ///  2. a condition that is provably true for some contiguous range of values
133 ///     taken by the containing loop's induction variable.
134 ///
135 class InductiveRangeCheck {
136
137   const SCEV *Begin = nullptr;
138   const SCEV *Step = nullptr;
139   const SCEV *End = nullptr;
140   Use *CheckUse = nullptr;
141   bool IsSigned = true;
142
143   static bool parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI, ScalarEvolution &SE,
144                                   Value *&Index, Value *&Length,
145                                   bool &IsSigned);
146
147   static void
148   extractRangeChecksFromCond(Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
149                              SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
150                              SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited);
151
152 public:
153   const SCEV *getBegin() const { return Begin; }
154   const SCEV *getStep() const { return Step; }
155   const SCEV *getEnd() const { return End; }
156   bool isSigned() const { return IsSigned; }
157
158   void print(raw_ostream &OS) const {
159     OS << "InductiveRangeCheck:\n";
160     OS << "  Begin: ";
161     Begin->print(OS);
162     OS << "  Step: ";
163     Step->print(OS);
164     OS << "  End: ";
165     End->print(OS);
166     OS << "\n  CheckUse: ";
167     getCheckUse()->getUser()->print(OS);
168     OS << " Operand: " << getCheckUse()->getOperandNo() << "\n";
169   }
170
171   LLVM_DUMP_METHOD
172   void dump() {
173     print(dbgs());
174   }
175
176   Use *getCheckUse() const { return CheckUse; }
177
178   /// Represents an signed integer range [Range.getBegin(), Range.getEnd()).  If
179   /// R.getEnd() le R.getBegin(), then R denotes the empty range.
180
181   class Range {
182     const SCEV *Begin;
183     const SCEV *End;
184
185   public:
186     Range(const SCEV *Begin, const SCEV *End) : Begin(Begin), End(End) {
187       assert(Begin->getType() == End->getType() && "ill-typed range!");
188     }
189
190     Type *getType() const { return Begin->getType(); }
191     const SCEV *getBegin() const { return Begin; }
192     const SCEV *getEnd() const { return End; }
193     bool isEmpty(ScalarEvolution &SE, bool IsSigned) const {
194       if (Begin == End)
195         return true;
196       if (IsSigned)
197         return SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, Begin, End);
198       else
199         return SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_UGE, Begin, End);
200     }
201   };
202
203   /// This is the value the condition of the branch needs to evaluate to for the
204   /// branch to take the hot successor (see (1) above).
205   bool getPassingDirection() { return true; }
206
207   /// Computes a range for the induction variable (IndVar) in which the range
208   /// check is redundant and can be constant-folded away.  The induction
209   /// variable is not required to be the canonical {0,+,1} induction variable.
210   Optional<Range> computeSafeIterationSpace(ScalarEvolution &SE,
211                                             const SCEVAddRecExpr *IndVar,
212                                             bool IsLatchSigned) const;
213
214   /// Parse out a set of inductive range checks from \p BI and append them to \p
215   /// Checks.
216   ///
217   /// NB! There may be conditions feeding into \p BI that aren't inductive range
218   /// checks, and hence don't end up in \p Checks.
219   static void
220   extractRangeChecksFromBranch(BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE,
221                                BranchProbabilityInfo *BPI,
222                                SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks);
223 };
224
225 class InductiveRangeCheckElimination {
226   ScalarEvolution &SE;
227   BranchProbabilityInfo *BPI;
228   DominatorTree &DT;
229   LoopInfo &LI;
230
231 public:
232   InductiveRangeCheckElimination(ScalarEvolution &SE,
233                                  BranchProbabilityInfo *BPI, DominatorTree &DT,
234                                  LoopInfo &LI)
235       : SE(SE), BPI(BPI), DT(DT), LI(LI) {}
236
237   bool run(Loop *L, function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop);
238 };
239
240 class IRCELegacyPass : public LoopPass {
241 public:
242   static char ID;
243
244   IRCELegacyPass() : LoopPass(ID) {
245     initializeIRCELegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
246   }
247
248   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
249     AU.addRequired<BranchProbabilityInfoWrapperPass>();
250     getLoopAnalysisUsage(AU);
251   }
252
253   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
254 };
255
256 } // end anonymous namespace
257
258 char IRCELegacyPass::ID = 0;
259
260 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IRCELegacyPass, "irce",
261                       "Inductive range check elimination", false, false)
262 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BranchProbabilityInfoWrapperPass)
263 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
264 INITIALIZE_PASS_END(IRCELegacyPass, "irce", "Inductive range check elimination",
265                     false, false)
266
267 /// Parse a single ICmp instruction, `ICI`, into a range check.  If `ICI` cannot
268 /// be interpreted as a range check, return false and set `Index` and `Length`
269 /// to `nullptr`.  Otherwise set `Index` to the value being range checked, and
270 /// set `Length` to the upper limit `Index` is being range checked.
271 bool
272 InductiveRangeCheck::parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
273                                          ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
274                                          Value *&Length, bool &IsSigned) {
275   auto IsLoopInvariant = [&SE, L](Value *V) {
276     return SE.isLoopInvariant(SE.getSCEV(V), L);
277   };
278
279   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
280   Value *LHS = ICI->getOperand(0);
281   Value *RHS = ICI->getOperand(1);
282
283   switch (Pred) {
284   default:
285     return false;
286
287   case ICmpInst::ICMP_SLE:
288     std::swap(LHS, RHS);
289     LLVM_FALLTHROUGH;
290   case ICmpInst::ICMP_SGE:
291     IsSigned = true;
292     if (match(RHS, m_ConstantInt<0>())) {
293       Index = LHS;
294       return true; // Lower.
295     }
296     return false;
297
298   case ICmpInst::ICMP_SLT:
299     std::swap(LHS, RHS);
300     LLVM_FALLTHROUGH;
301   case ICmpInst::ICMP_SGT:
302     IsSigned = true;
303     if (match(RHS, m_ConstantInt<-1>())) {
304       Index = LHS;
305       return true; // Lower.
306     }
307
308     if (IsLoopInvariant(LHS)) {
309       Index = RHS;
310       Length = LHS;
311       return true; // Upper.
312     }
313     return false;
314
315   case ICmpInst::ICMP_ULT:
316     std::swap(LHS, RHS);
317     LLVM_FALLTHROUGH;
318   case ICmpInst::ICMP_UGT:
319     IsSigned = false;
320     if (IsLoopInvariant(LHS)) {
321       Index = RHS;
322       Length = LHS;
323       return true; // Both lower and upper.
324     }
325     return false;
326   }
327
328   llvm_unreachable("default clause returns!");
329 }
330
331 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(
332     Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
333     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
334     SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) {
335   Value *Condition = ConditionUse.get();
336   if (!Visited.insert(Condition).second)
337     return;
338
339   // TODO: Do the same for OR, XOR, NOT etc?
340   if (match(Condition, m_And(m_Value(), m_Value()))) {
341     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(0),
342                                Checks, Visited);
343     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(1),
344                                Checks, Visited);
345     return;
346   }
347
348   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(Condition);
349   if (!ICI)
350     return;
351
352   Value *Length = nullptr, *Index;
353   bool IsSigned;
354   if (!parseRangeCheckICmp(L, ICI, SE, Index, Length, IsSigned))
355     return;
356
357   const auto *IndexAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Index));
358   bool IsAffineIndex =
359       IndexAddRec && (IndexAddRec->getLoop() == L) && IndexAddRec->isAffine();
360
361   if (!IsAffineIndex)
362     return;
363
364   const SCEV *End = nullptr;
365   // We strengthen "0 <= I" to "0 <= I < INT_SMAX" and "I < L" to "0 <= I < L".
366   // We can potentially do much better here.
367   if (Length)
368     End = SE.getSCEV(Length);
369   else {
370     // So far we can only reach this point for Signed range check. This may
371     // change in future. In this case we will need to pick Unsigned max for the
372     // unsigned range check.
373     unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndexAddRec->getType())->getBitWidth();
374     const SCEV *SIntMax = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
375     End = SIntMax;
376   }
377
378   InductiveRangeCheck IRC;
379   IRC.End = End;
380   IRC.Begin = IndexAddRec->getStart();
381   IRC.Step = IndexAddRec->getStepRecurrence(SE);
382   IRC.CheckUse = &ConditionUse;
383   IRC.IsSigned = IsSigned;
384   Checks.push_back(IRC);
385 }
386
387 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(
388     BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE, BranchProbabilityInfo *BPI,
389     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks) {
390   if (BI->isUnconditional() || BI->getParent() == L->getLoopLatch())
391     return;
392
393   BranchProbability LikelyTaken(15, 16);
394
395   if (!SkipProfitabilityChecks && BPI &&
396       BPI->getEdgeProbability(BI->getParent(), (unsigned)0) < LikelyTaken)
397     return;
398
399   SmallPtrSet<Value *, 8> Visited;
400   InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(L, SE, BI->getOperandUse(0),
401                                                   Checks, Visited);
402 }
403
404 // Add metadata to the loop L to disable loop optimizations. Callers need to
405 // confirm that optimizing loop L is not beneficial.
406 static void DisableAllLoopOptsOnLoop(Loop &L) {
407   // We do not care about any existing loopID related metadata for L, since we
408   // are setting all loop metadata to false.
409   LLVMContext &Context = L.getHeader()->getContext();
410   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
411   MDNode *Dummy = MDNode::get(Context, {});
412   MDNode *DisableUnroll = MDNode::get(
413       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable")});
414   Metadata *FalseVal =
415       ConstantAsMetadata::get(ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Context), 0));
416   MDNode *DisableVectorize = MDNode::get(
417       Context,
418       {MDString::get(Context, "llvm.loop.vectorize.enable"), FalseVal});
419   MDNode *DisableLICMVersioning = MDNode::get(
420       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.licm_versioning.disable")});
421   MDNode *DisableDistribution= MDNode::get(
422       Context,
423       {MDString::get(Context, "llvm.loop.distribute.enable"), FalseVal});
424   MDNode *NewLoopID =
425       MDNode::get(Context, {Dummy, DisableUnroll, DisableVectorize,
426                             DisableLICMVersioning, DisableDistribution});
427   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
428   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
429   L.setLoopID(NewLoopID);
430 }
431
432 namespace {
433
434 // Keeps track of the structure of a loop.  This is similar to llvm::Loop,
435 // except that it is more lightweight and can track the state of a loop through
436 // changing and potentially invalid IR.  This structure also formalizes the
437 // kinds of loops we can deal with -- ones that have a single latch that is also
438 // an exiting block *and* have a canonical induction variable.
439 struct LoopStructure {
440   const char *Tag = "";
441
442   BasicBlock *Header = nullptr;
443   BasicBlock *Latch = nullptr;
444
445   // `Latch's terminator instruction is `LatchBr', and it's `LatchBrExitIdx'th
446   // successor is `LatchExit', the exit block of the loop.
447   BranchInst *LatchBr = nullptr;
448   BasicBlock *LatchExit = nullptr;
449   unsigned LatchBrExitIdx = std::numeric_limits<unsigned>::max();
450
451   // The loop represented by this instance of LoopStructure is semantically
452   // equivalent to:
453   //
454   // intN_ty inc = IndVarIncreasing ? 1 : -1;
455   // pred_ty predicate = IndVarIncreasing ? ICMP_SLT : ICMP_SGT;
456   //
457   // for (intN_ty iv = IndVarStart; predicate(iv, LoopExitAt); iv = IndVarBase)
458   //   ... body ...
459
460   Value *IndVarBase = nullptr;
461   Value *IndVarStart = nullptr;
462   Value *IndVarStep = nullptr;
463   Value *LoopExitAt = nullptr;
464   bool IndVarIncreasing = false;
465   bool IsSignedPredicate = true;
466
467   LoopStructure() = default;
468
469   template <typename M> LoopStructure map(M Map) const {
470     LoopStructure Result;
471     Result.Tag = Tag;
472     Result.Header = cast<BasicBlock>(Map(Header));
473     Result.Latch = cast<BasicBlock>(Map(Latch));
474     Result.LatchBr = cast<BranchInst>(Map(LatchBr));
475     Result.LatchExit = cast<BasicBlock>(Map(LatchExit));
476     Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
477     Result.IndVarBase = Map(IndVarBase);
478     Result.IndVarStart = Map(IndVarStart);
479     Result.IndVarStep = Map(IndVarStep);
480     Result.LoopExitAt = Map(LoopExitAt);
481     Result.IndVarIncreasing = IndVarIncreasing;
482     Result.IsSignedPredicate = IsSignedPredicate;
483     return Result;
484   }
485
486   static Optional<LoopStructure> parseLoopStructure(ScalarEvolution &,
487                                                     BranchProbabilityInfo *BPI,
488                                                     Loop &, const char *&);
489 };
490
491 /// This class is used to constrain loops to run within a given iteration space.
492 /// The algorithm this class implements is given a Loop and a range [Begin,
493 /// End).  The algorithm then tries to break out a "main loop" out of the loop
494 /// it is given in a way that the "main loop" runs with the induction variable
495 /// in a subset of [Begin, End).  The algorithm emits appropriate pre and post
496 /// loops to run any remaining iterations.  The pre loop runs any iterations in
497 /// which the induction variable is < Begin, and the post loop runs any
498 /// iterations in which the induction variable is >= End.
499 class LoopConstrainer {
500   // The representation of a clone of the original loop we started out with.
501   struct ClonedLoop {
502     // The cloned blocks
503     std::vector<BasicBlock *> Blocks;
504
505     // `Map` maps values in the clonee into values in the cloned version
506     ValueToValueMapTy Map;
507
508     // An instance of `LoopStructure` for the cloned loop
509     LoopStructure Structure;
510   };
511
512   // Result of rewriting the range of a loop.  See changeIterationSpaceEnd for
513   // more details on what these fields mean.
514   struct RewrittenRangeInfo {
515     BasicBlock *PseudoExit = nullptr;
516     BasicBlock *ExitSelector = nullptr;
517     std::vector<PHINode *> PHIValuesAtPseudoExit;
518     PHINode *IndVarEnd = nullptr;
519
520     RewrittenRangeInfo() = default;
521   };
522
523   // Calculated subranges we restrict the iteration space of the main loop to.
524   // See the implementation of `calculateSubRanges' for more details on how
525   // these fields are computed.  `LowLimit` is None if there is no restriction
526   // on low end of the restricted iteration space of the main loop.  `HighLimit`
527   // is None if there is no restriction on high end of the restricted iteration
528   // space of the main loop.
529
530   struct SubRanges {
531     Optional<const SCEV *> LowLimit;
532     Optional<const SCEV *> HighLimit;
533   };
534
535   // A utility function that does a `replaceUsesOfWith' on the incoming block
536   // set of a `PHINode' -- replaces instances of `Block' in the `PHINode's
537   // incoming block list with `ReplaceBy'.
538   static void replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
539                               BasicBlock *ReplaceBy);
540
541   // Compute a safe set of limits for the main loop to run in -- effectively the
542   // intersection of `Range' and the iteration space of the original loop.
543   // Return None if unable to compute the set of subranges.
544   Optional<SubRanges> calculateSubRanges(bool IsSignedPredicate) const;
545
546   // Clone `OriginalLoop' and return the result in CLResult.  The IR after
547   // running `cloneLoop' is well formed except for the PHI nodes in CLResult --
548   // the PHI nodes say that there is an incoming edge from `OriginalPreheader`
549   // but there is no such edge.
550   void cloneLoop(ClonedLoop &CLResult, const char *Tag) const;
551
552   // Create the appropriate loop structure needed to describe a cloned copy of
553   // `Original`.  The clone is described by `VM`.
554   Loop *createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
555                                   ValueToValueMapTy &VM, bool IsSubloop);
556
557   // Rewrite the iteration space of the loop denoted by (LS, Preheader). The
558   // iteration space of the rewritten loop ends at ExitLoopAt.  The start of the
559   // iteration space is not changed.  `ExitLoopAt' is assumed to be slt
560   // `OriginalHeaderCount'.
561   //
562   // If there are iterations left to execute, control is made to jump to
563   // `ContinuationBlock', otherwise they take the normal loop exit.  The
564   // returned `RewrittenRangeInfo' object is populated as follows:
565   //
566   //  .PseudoExit is a basic block that unconditionally branches to
567   //      `ContinuationBlock'.
568   //
569   //  .ExitSelector is a basic block that decides, on exit from the loop,
570   //      whether to branch to the "true" exit or to `PseudoExit'.
571   //
572   //  .PHIValuesAtPseudoExit are PHINodes in `PseudoExit' that compute the value
573   //      for each PHINode in the loop header on taking the pseudo exit.
574   //
575   // After changeIterationSpaceEnd, `Preheader' is no longer a legitimate
576   // preheader because it is made to branch to the loop header only
577   // conditionally.
578   RewrittenRangeInfo
579   changeIterationSpaceEnd(const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader,
580                           Value *ExitLoopAt,
581                           BasicBlock *ContinuationBlock) const;
582
583   // The loop denoted by `LS' has `OldPreheader' as its preheader.  This
584   // function creates a new preheader for `LS' and returns it.
585   BasicBlock *createPreheader(const LoopStructure &LS, BasicBlock *OldPreheader,
586                               const char *Tag) const;
587
588   // `ContinuationBlockAndPreheader' was the continuation block for some call to
589   // `changeIterationSpaceEnd' and is the preheader to the loop denoted by `LS'.
590   // This function rewrites the PHI nodes in `LS.Header' to start with the
591   // correct value.
592   void rewriteIncomingValuesForPHIs(
593       LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlockAndPreheader,
594       const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const;
595
596   // Even though we do not preserve any passes at this time, we at least need to
597   // keep the parent loop structure consistent.  The `LPPassManager' seems to
598   // verify this after running a loop pass.  This function adds the list of
599   // blocks denoted by BBs to this loops parent loop if required.
600   void addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs);
601
602   // Some global state.
603   Function &F;
604   LLVMContext &Ctx;
605   ScalarEvolution &SE;
606   DominatorTree &DT;
607   LoopInfo &LI;
608   function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop;
609
610   // Information about the original loop we started out with.
611   Loop &OriginalLoop;
612
613   const SCEV *LatchTakenCount = nullptr;
614   BasicBlock *OriginalPreheader = nullptr;
615
616   // The preheader of the main loop.  This may or may not be different from
617   // `OriginalPreheader'.
618   BasicBlock *MainLoopPreheader = nullptr;
619
620   // The range we need to run the main loop in.
621   InductiveRangeCheck::Range Range;
622
623   // The structure of the main loop (see comment at the beginning of this class
624   // for a definition)
625   LoopStructure MainLoopStructure;
626
627 public:
628   LoopConstrainer(Loop &L, LoopInfo &LI,
629                   function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop,
630                   const LoopStructure &LS, ScalarEvolution &SE,
631                   DominatorTree &DT, InductiveRangeCheck::Range R)
632       : F(*L.getHeader()->getParent()), Ctx(L.getHeader()->getContext()),
633         SE(SE), DT(DT), LI(LI), LPMAddNewLoop(LPMAddNewLoop), OriginalLoop(L),
634         Range(R), MainLoopStructure(LS) {}
635
636   // Entry point for the algorithm.  Returns true on success.
637   bool run();
638 };
639
640 } // end anonymous namespace
641
642 void LoopConstrainer::replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
643                                       BasicBlock *ReplaceBy) {
644   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
645     if (PN->getIncomingBlock(i) == Block)
646       PN->setIncomingBlock(i, ReplaceBy);
647 }
648
649 /// Given a loop with an deccreasing induction variable, is it possible to
650 /// safely calculate the bounds of a new loop using the given Predicate.
651 static bool isSafeDecreasingBound(const SCEV *Start,
652                                   const SCEV *BoundSCEV, const SCEV *Step,
653                                   ICmpInst::Predicate Pred,
654                                   unsigned LatchBrExitIdx,
655                                   Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
656   if (Pred != ICmpInst::ICMP_SLT && Pred != ICmpInst::ICMP_SGT &&
657       Pred != ICmpInst::ICMP_ULT && Pred != ICmpInst::ICMP_UGT)
658     return false;
659
660   if (!SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L))
661     return false;
662
663   assert(SE.isKnownNegative(Step) && "expecting negative step");
664
665   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: isSafeDecreasingBound with:\n");
666   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Start: " << *Start << "\n");
667   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Step: " << *Step << "\n");
668   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: BoundSCEV: " << *BoundSCEV << "\n");
669   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Pred: " << ICmpInst::getPredicateName(Pred)
670                     << "\n");
671   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: LatchExitBrIdx: " << LatchBrExitIdx << "\n");
672
673   bool IsSigned = ICmpInst::isSigned(Pred);
674   // The predicate that we need to check that the induction variable lies
675   // within bounds.
676   ICmpInst::Predicate BoundPred =
677     IsSigned ? CmpInst::ICMP_SGT : CmpInst::ICMP_UGT;
678
679   if (LatchBrExitIdx == 1)
680     return SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start, BoundSCEV);
681
682   assert(LatchBrExitIdx == 0 &&
683          "LatchBrExitIdx should be either 0 or 1");
684
685   const SCEV *StepPlusOne = SE.getAddExpr(Step, SE.getOne(Step->getType()));
686   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(BoundSCEV->getType())->getBitWidth();
687   APInt Min = IsSigned ? APInt::getSignedMinValue(BitWidth) :
688     APInt::getMinValue(BitWidth);
689   const SCEV *Limit = SE.getMinusSCEV(SE.getConstant(Min), StepPlusOne);
690
691   const SCEV *MinusOne =
692     SE.getMinusSCEV(BoundSCEV, SE.getOne(BoundSCEV->getType()));
693
694   return SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start, MinusOne) &&
695          SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, BoundSCEV, Limit);
696
697 }
698
699 /// Given a loop with an increasing induction variable, is it possible to
700 /// safely calculate the bounds of a new loop using the given Predicate.
701 static bool isSafeIncreasingBound(const SCEV *Start,
702                                   const SCEV *BoundSCEV, const SCEV *Step,
703                                   ICmpInst::Predicate Pred,
704                                   unsigned LatchBrExitIdx,
705                                   Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
706   if (Pred != ICmpInst::ICMP_SLT && Pred != ICmpInst::ICMP_SGT &&
707       Pred != ICmpInst::ICMP_ULT && Pred != ICmpInst::ICMP_UGT)
708     return false;
709
710   if (!SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L))
711     return false;
712
713   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: isSafeIncreasingBound with:\n");
714   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Start: " << *Start << "\n");
715   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Step: " << *Step << "\n");
716   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: BoundSCEV: " << *BoundSCEV << "\n");
717   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Pred: " << ICmpInst::getPredicateName(Pred)
718                     << "\n");
719   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: LatchExitBrIdx: " << LatchBrExitIdx << "\n");
720
721   bool IsSigned = ICmpInst::isSigned(Pred);
722   // The predicate that we need to check that the induction variable lies
723   // within bounds.
724   ICmpInst::Predicate BoundPred =
725       IsSigned ? CmpInst::ICMP_SLT : CmpInst::ICMP_ULT;
726
727   if (LatchBrExitIdx == 1)
728     return SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start, BoundSCEV);
729
730   assert(LatchBrExitIdx == 0 && "LatchBrExitIdx should be 0 or 1");
731
732   const SCEV *StepMinusOne =
733     SE.getMinusSCEV(Step, SE.getOne(Step->getType()));
734   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(BoundSCEV->getType())->getBitWidth();
735   APInt Max = IsSigned ? APInt::getSignedMaxValue(BitWidth) :
736     APInt::getMaxValue(BitWidth);
737   const SCEV *Limit = SE.getMinusSCEV(SE.getConstant(Max), StepMinusOne);
738
739   return (SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start,
740                                       SE.getAddExpr(BoundSCEV, Step)) &&
741           SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, BoundSCEV, Limit));
742 }
743
744 Optional<LoopStructure>
745 LoopStructure::parseLoopStructure(ScalarEvolution &SE,
746                                   BranchProbabilityInfo *BPI, Loop &L,
747                                   const char *&FailureReason) {
748   if (!L.isLoopSimplifyForm()) {
749     FailureReason = "loop not in LoopSimplify form";
750     return None;
751   }
752
753   BasicBlock *Latch = L.getLoopLatch();
754   assert(Latch && "Simplified loops only have one latch!");
755
756   if (Latch->getTerminator()->getMetadata(ClonedLoopTag)) {
757     FailureReason = "loop has already been cloned";
758     return None;
759   }
760
761   if (!L.isLoopExiting(Latch)) {
762     FailureReason = "no loop latch";
763     return None;
764   }
765
766   BasicBlock *Header = L.getHeader();
767   BasicBlock *Preheader = L.getLoopPreheader();
768   if (!Preheader) {
769     FailureReason = "no preheader";
770     return None;
771   }
772
773   BranchInst *LatchBr = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
774   if (!LatchBr || LatchBr->isUnconditional()) {
775     FailureReason = "latch terminator not conditional branch";
776     return None;
777   }
778
779   unsigned LatchBrExitIdx = LatchBr->getSuccessor(0) == Header ? 1 : 0;
780
781   BranchProbability ExitProbability =
782       BPI ? BPI->getEdgeProbability(LatchBr->getParent(), LatchBrExitIdx)
783           : BranchProbability::getZero();
784
785   if (!SkipProfitabilityChecks &&
786       ExitProbability > BranchProbability(1, MaxExitProbReciprocal)) {
787     FailureReason = "short running loop, not profitable";
788     return None;
789   }
790
791   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LatchBr->getCondition());
792   if (!ICI || !isa<IntegerType>(ICI->getOperand(0)->getType())) {
793     FailureReason = "latch terminator branch not conditional on integral icmp";
794     return None;
795   }
796
797   const SCEV *LatchCount = SE.getExitCount(&L, Latch);
798   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchCount)) {
799     FailureReason = "could not compute latch count";
800     return None;
801   }
802
803   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
804   Value *LeftValue = ICI->getOperand(0);
805   const SCEV *LeftSCEV = SE.getSCEV(LeftValue);
806   IntegerType *IndVarTy = cast<IntegerType>(LeftValue->getType());
807
808   Value *RightValue = ICI->getOperand(1);
809   const SCEV *RightSCEV = SE.getSCEV(RightValue);
810
811   // We canonicalize `ICI` such that `LeftSCEV` is an add recurrence.
812   if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV)) {
813     if (isa<SCEVAddRecExpr>(RightSCEV)) {
814       std::swap(LeftSCEV, RightSCEV);
815       std::swap(LeftValue, RightValue);
816       Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
817     } else {
818       FailureReason = "no add recurrences in the icmp";
819       return None;
820     }
821   }
822
823   auto HasNoSignedWrap = [&](const SCEVAddRecExpr *AR) {
824     if (AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW))
825       return true;
826
827     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(AR->getType());
828     IntegerType *WideTy =
829         IntegerType::get(Ty->getContext(), Ty->getBitWidth() * 2);
830
831     const SCEVAddRecExpr *ExtendAfterOp =
832         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
833     if (ExtendAfterOp) {
834       const SCEV *ExtendedStart = SE.getSignExtendExpr(AR->getStart(), WideTy);
835       const SCEV *ExtendedStep =
836           SE.getSignExtendExpr(AR->getStepRecurrence(SE), WideTy);
837
838       bool NoSignedWrap = ExtendAfterOp->getStart() == ExtendedStart &&
839                           ExtendAfterOp->getStepRecurrence(SE) == ExtendedStep;
840
841       if (NoSignedWrap)
842         return true;
843     }
844
845     // We may have proved this when computing the sign extension above.
846     return AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW) != SCEV::FlagAnyWrap;
847   };
848
849   // `ICI` is interpreted as taking the backedge if the *next* value of the
850   // induction variable satisfies some constraint.
851
852   const SCEVAddRecExpr *IndVarBase = cast<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV);
853   if (!IndVarBase->isAffine()) {
854     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
855     return None;
856   }
857   const SCEV* StepRec = IndVarBase->getStepRecurrence(SE);
858   if (!isa<SCEVConstant>(StepRec)) {
859     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
860     return None;
861   }
862   ConstantInt *StepCI = cast<SCEVConstant>(StepRec)->getValue();
863
864   if (ICI->isEquality() && !HasNoSignedWrap(IndVarBase)) {
865     FailureReason = "LHS in icmp needs nsw for equality predicates";
866     return None;
867   }
868
869   assert(!StepCI->isZero() && "Zero step?");
870   bool IsIncreasing = !StepCI->isNegative();
871   bool IsSignedPredicate = ICmpInst::isSigned(Pred);
872   const SCEV *StartNext = IndVarBase->getStart();
873   const SCEV *Addend = SE.getNegativeSCEV(IndVarBase->getStepRecurrence(SE));
874   const SCEV *IndVarStart = SE.getAddExpr(StartNext, Addend);
875   const SCEV *Step = SE.getSCEV(StepCI);
876
877   ConstantInt *One = ConstantInt::get(IndVarTy, 1);
878   if (IsIncreasing) {
879     bool DecreasedRightValueByOne = false;
880     if (StepCI->isOne()) {
881       // Try to turn eq/ne predicates to those we can work with.
882       if (Pred == ICmpInst::ICMP_NE && LatchBrExitIdx == 1)
883         // while (++i != len) {         while (++i < len) {
884         //   ...                 --->     ...
885         // }                            }
886         // If both parts are known non-negative, it is profitable to use
887         // unsigned comparison in increasing loop. This allows us to make the
888         // comparison check against "RightSCEV + 1" more optimistic.
889         if (isKnownNonNegativeInLoop(IndVarStart, &L, SE) &&
890             isKnownNonNegativeInLoop(RightSCEV, &L, SE))
891           Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
892         else
893           Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
894       else if (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && LatchBrExitIdx == 0) {
895         // while (true) {               while (true) {
896         //   if (++i == len)     --->     if (++i > len - 1)
897         //     break;                       break;
898         //   ...                          ...
899         // }                            }
900         if (IndVarBase->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNUW) &&
901             cannotBeMinInLoop(RightSCEV, &L, SE, /*Signed*/false)) {
902           Pred = ICmpInst::ICMP_UGT;
903           RightSCEV = SE.getMinusSCEV(RightSCEV,
904                                       SE.getOne(RightSCEV->getType()));
905           DecreasedRightValueByOne = true;
906         } else if (cannotBeMinInLoop(RightSCEV, &L, SE, /*Signed*/true)) {
907           Pred = ICmpInst::ICMP_SGT;
908           RightSCEV = SE.getMinusSCEV(RightSCEV,
909                                       SE.getOne(RightSCEV->getType()));
910           DecreasedRightValueByOne = true;
911         }
912       }
913     }
914
915     bool LTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_ULT);
916     bool GTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT || Pred == ICmpInst::ICMP_UGT);
917     bool FoundExpectedPred =
918         (LTPred && LatchBrExitIdx == 1) || (GTPred && LatchBrExitIdx == 0);
919
920     if (!FoundExpectedPred) {
921       FailureReason = "expected icmp slt semantically, found something else";
922       return None;
923     }
924
925     IsSignedPredicate = ICmpInst::isSigned(Pred);
926     if (!IsSignedPredicate && !AllowUnsignedLatchCondition) {
927       FailureReason = "unsigned latch conditions are explicitly prohibited";
928       return None;
929     }
930
931     if (!isSafeIncreasingBound(IndVarStart, RightSCEV, Step, Pred,
932                                LatchBrExitIdx, &L, SE)) {
933       FailureReason = "Unsafe loop bounds";
934       return None;
935     }
936     if (LatchBrExitIdx == 0) {
937       // We need to increase the right value unless we have already decreased
938       // it virtually when we replaced EQ with SGT.
939       if (!DecreasedRightValueByOne) {
940         IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
941         RightValue = B.CreateAdd(RightValue, One);
942       }
943     } else {
944       assert(!DecreasedRightValueByOne &&
945              "Right value can be decreased only for LatchBrExitIdx == 0!");
946     }
947   } else {
948     bool IncreasedRightValueByOne = false;
949     if (StepCI->isMinusOne()) {
950       // Try to turn eq/ne predicates to those we can work with.
951       if (Pred == ICmpInst::ICMP_NE && LatchBrExitIdx == 1)
952         // while (--i != len) {         while (--i > len) {
953         //   ...                 --->     ...
954         // }                            }
955         // We intentionally don't turn the predicate into UGT even if we know
956         // that both operands are non-negative, because it will only pessimize
957         // our check against "RightSCEV - 1".
958         Pred = ICmpInst::ICMP_SGT;
959       else if (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && LatchBrExitIdx == 0) {
960         // while (true) {               while (true) {
961         //   if (--i == len)     --->     if (--i < len + 1)
962         //     break;                       break;
963         //   ...                          ...
964         // }                            }
965         if (IndVarBase->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNUW) &&
966             cannotBeMaxInLoop(RightSCEV, &L, SE, /* Signed */ false)) {
967           Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
968           RightSCEV = SE.getAddExpr(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType()));
969           IncreasedRightValueByOne = true;
970         } else if (cannotBeMaxInLoop(RightSCEV, &L, SE, /* Signed */ true)) {
971           Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
972           RightSCEV = SE.getAddExpr(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType()));
973           IncreasedRightValueByOne = true;
974         }
975       }
976     }
977
978     bool LTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_ULT);
979     bool GTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT || Pred == ICmpInst::ICMP_UGT);
980
981     bool FoundExpectedPred =
982         (GTPred && LatchBrExitIdx == 1) || (LTPred && LatchBrExitIdx == 0);
983
984     if (!FoundExpectedPred) {
985       FailureReason = "expected icmp sgt semantically, found something else";
986       return None;
987     }
988
989     IsSignedPredicate =
990         Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_SGT;
991
992     if (!IsSignedPredicate && !AllowUnsignedLatchCondition) {
993       FailureReason = "unsigned latch conditions are explicitly prohibited";
994       return None;
995     }
996
997     if (!isSafeDecreasingBound(IndVarStart, RightSCEV, Step, Pred,
998                                LatchBrExitIdx, &L, SE)) {
999       FailureReason = "Unsafe bounds";
1000       return None;
1001     }
1002
1003     if (LatchBrExitIdx == 0) {
1004       // We need to decrease the right value unless we have already increased
1005       // it virtually when we replaced EQ with SLT.
1006       if (!IncreasedRightValueByOne) {
1007         IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
1008         RightValue = B.CreateSub(RightValue, One);
1009       }
1010     } else {
1011       assert(!IncreasedRightValueByOne &&
1012              "Right value can be increased only for LatchBrExitIdx == 0!");
1013     }
1014   }
1015   BasicBlock *LatchExit = LatchBr->getSuccessor(LatchBrExitIdx);
1016
1017   assert(SE.getLoopDisposition(LatchCount, &L) ==
1018              ScalarEvolution::LoopInvariant &&
1019          "loop variant exit count doesn't make sense!");
1020
1021   assert(!L.contains(LatchExit) && "expected an exit block!");
1022   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
1023   Value *IndVarStartV =
1024       SCEVExpander(SE, DL, "irce")
1025           .expandCodeFor(IndVarStart, IndVarTy, Preheader->getTerminator());
1026   IndVarStartV->setName("indvar.start");
1027
1028   LoopStructure Result;
1029
1030   Result.Tag = "main";
1031   Result.Header = Header;
1032   Result.Latch = Latch;
1033   Result.LatchBr = LatchBr;
1034   Result.LatchExit = LatchExit;
1035   Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
1036   Result.IndVarStart = IndVarStartV;
1037   Result.IndVarStep = StepCI;
1038   Result.IndVarBase = LeftValue;
1039   Result.IndVarIncreasing = IsIncreasing;
1040   Result.LoopExitAt = RightValue;
1041   Result.IsSignedPredicate = IsSignedPredicate;
1042
1043   FailureReason = nullptr;
1044
1045   return Result;
1046 }
1047
1048 Optional<LoopConstrainer::SubRanges>
1049 LoopConstrainer::calculateSubRanges(bool IsSignedPredicate) const {
1050   IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(LatchTakenCount->getType());
1051
1052   if (Range.getType() != Ty)
1053     return None;
1054
1055   LoopConstrainer::SubRanges Result;
1056
1057   // I think we can be more aggressive here and make this nuw / nsw if the
1058   // addition that feeds into the icmp for the latch's terminating branch is nuw
1059   // / nsw.  In any case, a wrapping 2's complement addition is safe.
1060   const SCEV *Start = SE.getSCEV(MainLoopStructure.IndVarStart);
1061   const SCEV *End = SE.getSCEV(MainLoopStructure.LoopExitAt);
1062
1063   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1064
1065   // We compute `Smallest` and `Greatest` such that [Smallest, Greatest), or
1066   // [Smallest, GreatestSeen] is the range of values the induction variable
1067   // takes.
1068
1069   const SCEV *Smallest = nullptr, *Greatest = nullptr, *GreatestSeen = nullptr;
1070
1071   const SCEV *One = SE.getOne(Ty);
1072   if (Increasing) {
1073     Smallest = Start;
1074     Greatest = End;
1075     // No overflow, because the range [Smallest, GreatestSeen] is not empty.
1076     GreatestSeen = SE.getMinusSCEV(End, One);
1077   } else {
1078     // These two computations may sign-overflow.  Here is why that is okay:
1079     //
1080     // We know that the induction variable does not sign-overflow on any
1081     // iteration except the last one, and it starts at `Start` and ends at
1082     // `End`, decrementing by one every time.
1083     //
1084     //  * if `Smallest` sign-overflows we know `End` is `INT_SMAX`. Since the
1085     //    induction variable is decreasing we know that that the smallest value
1086     //    the loop body is actually executed with is `INT_SMIN` == `Smallest`.
1087     //
1088     //  * if `Greatest` sign-overflows, we know it can only be `INT_SMIN`.  In
1089     //    that case, `Clamp` will always return `Smallest` and
1090     //    [`Result.LowLimit`, `Result.HighLimit`) = [`Smallest`, `Smallest`)
1091     //    will be an empty range.  Returning an empty range is always safe.
1092
1093     Smallest = SE.getAddExpr(End, One);
1094     Greatest = SE.getAddExpr(Start, One);
1095     GreatestSeen = Start;
1096   }
1097
1098   auto Clamp = [this, Smallest, Greatest, IsSignedPredicate](const SCEV *S) {
1099     return IsSignedPredicate
1100                ? SE.getSMaxExpr(Smallest, SE.getSMinExpr(Greatest, S))
1101                : SE.getUMaxExpr(Smallest, SE.getUMinExpr(Greatest, S));
1102   };
1103
1104   // In some cases we can prove that we don't need a pre or post loop.
1105   ICmpInst::Predicate PredLE =
1106       IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SLE : ICmpInst::ICMP_ULE;
1107   ICmpInst::Predicate PredLT =
1108       IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT;
1109
1110   bool ProvablyNoPreloop =
1111       SE.isKnownPredicate(PredLE, Range.getBegin(), Smallest);
1112   if (!ProvablyNoPreloop)
1113     Result.LowLimit = Clamp(Range.getBegin());
1114
1115   bool ProvablyNoPostLoop =
1116       SE.isKnownPredicate(PredLT, GreatestSeen, Range.getEnd());
1117   if (!ProvablyNoPostLoop)
1118     Result.HighLimit = Clamp(Range.getEnd());
1119
1120   return Result;
1121 }
1122
1123 void LoopConstrainer::cloneLoop(LoopConstrainer::ClonedLoop &Result,
1124                                 const char *Tag) const {
1125   for (BasicBlock *BB : OriginalLoop.getBlocks()) {
1126     BasicBlock *Clone = CloneBasicBlock(BB, Result.Map, Twine(".") + Tag, &F);
1127     Result.Blocks.push_back(Clone);
1128     Result.Map[BB] = Clone;
1129   }
1130
1131   auto GetClonedValue = [&Result](Value *V) {
1132     assert(V && "null values not in domain!");
1133     auto It = Result.Map.find(V);
1134     if (It == Result.Map.end())
1135       return V;
1136     return static_cast<Value *>(It->second);
1137   };
1138
1139   auto *ClonedLatch =
1140       cast<BasicBlock>(GetClonedValue(OriginalLoop.getLoopLatch()));
1141   ClonedLatch->getTerminator()->setMetadata(ClonedLoopTag,
1142                                             MDNode::get(Ctx, {}));
1143
1144   Result.Structure = MainLoopStructure.map(GetClonedValue);
1145   Result.Structure.Tag = Tag;
1146
1147   for (unsigned i = 0, e = Result.Blocks.size(); i != e; ++i) {
1148     BasicBlock *ClonedBB = Result.Blocks[i];
1149     BasicBlock *OriginalBB = OriginalLoop.getBlocks()[i];
1150
1151     assert(Result.Map[OriginalBB] == ClonedBB && "invariant!");
1152
1153     for (Instruction &I : *ClonedBB)
1154       RemapInstruction(&I, Result.Map,
1155                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingLocals);
1156
1157     // Exit blocks will now have one more predecessor and their PHI nodes need
1158     // to be edited to reflect that.  No phi nodes need to be introduced because
1159     // the loop is in LCSSA.
1160
1161     for (auto *SBB : successors(OriginalBB)) {
1162       if (OriginalLoop.contains(SBB))
1163         continue; // not an exit block
1164
1165       for (PHINode &PN : SBB->phis()) {
1166         Value *OldIncoming = PN.getIncomingValueForBlock(OriginalBB);
1167         PN.addIncoming(GetClonedValue(OldIncoming), ClonedBB);
1168       }
1169     }
1170   }
1171 }
1172
1173 LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo LoopConstrainer::changeIterationSpaceEnd(
1174     const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader, Value *ExitSubloopAt,
1175     BasicBlock *ContinuationBlock) const {
1176   // We start with a loop with a single latch:
1177   //
1178   //    +--------------------+
1179   //    |                    |
1180   //    |     preheader      |
1181   //    |                    |
1182   //    +--------+-----------+
1183   //             |      ----------------\
1184   //             |     /                |
1185   //    +--------v----v------+          |
1186   //    |                    |          |
1187   //    |      header        |          |
1188   //    |                    |          |
1189   //    +--------------------+          |
1190   //                                    |
1191   //            .....                   |
1192   //                                    |
1193   //    +--------------------+          |
1194   //    |                    |          |
1195   //    |       latch        >----------/
1196   //    |                    |
1197   //    +-------v------------+
1198   //            |
1199   //            |
1200   //            |   +--------------------+
1201   //            |   |                    |
1202   //            +--->   original exit    |
1203   //                |                    |
1204   //                +--------------------+
1205   //
1206   // We change the control flow to look like
1207   //
1208   //
1209   //    +--------------------+
1210   //    |                    |
1211   //    |     preheader      >-------------------------+
1212   //    |                    |                         |
1213   //    +--------v-----------+                         |
1214   //             |    /-------------+                  |
1215   //             |   /              |                  |
1216   //    +--------v--v--------+      |                  |
1217   //    |                    |      |                  |
1218   //    |      header        |      |   +--------+     |
1219   //    |                    |      |   |        |     |
1220   //    +--------------------+      |   |  +-----v-----v-----------+
1221   //                                |   |  |                       |
1222   //                                |   |  |     .pseudo.exit      |
1223   //                                |   |  |                       |
1224   //                                |   |  +-----------v-----------+
1225   //                                |   |              |
1226   //            .....               |   |              |
1227   //                                |   |     +--------v-------------+
1228   //    +--------------------+      |   |     |                      |
1229   //    |                    |      |   |     |   ContinuationBlock  |
1230   //    |       latch        >------+   |     |                      |
1231   //    |                    |          |     +----------------------+
1232   //    +---------v----------+          |
1233   //              |                     |
1234   //              |                     |
1235   //              |     +---------------^-----+
1236   //              |     |                     |
1237   //              +----->    .exit.selector   |
1238   //                    |                     |
1239   //                    +----------v----------+
1240   //                               |
1241   //     +--------------------+    |
1242   //     |                    |    |
1243   //     |   original exit    <----+
1244   //     |                    |
1245   //     +--------------------+
1246
1247   RewrittenRangeInfo RRI;
1248
1249   BasicBlock *BBInsertLocation = LS.Latch->getNextNode();
1250   RRI.ExitSelector = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".exit.selector",
1251                                         &F, BBInsertLocation);
1252   RRI.PseudoExit = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".pseudo.exit", &F,
1253                                       BBInsertLocation);
1254
1255   BranchInst *PreheaderJump = cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
1256   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1257   bool IsSignedPredicate = LS.IsSignedPredicate;
1258
1259   IRBuilder<> B(PreheaderJump);
1260
1261   // EnterLoopCond - is it okay to start executing this `LS'?
1262   Value *EnterLoopCond = nullptr;
1263   auto Pred =
1264       Increasing
1265           ? (IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT)
1266           : (IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SGT : ICmpInst::ICMP_UGT);
1267   EnterLoopCond = B.CreateICmp(Pred, LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1268
1269   B.CreateCondBr(EnterLoopCond, LS.Header, RRI.PseudoExit);
1270   PreheaderJump->eraseFromParent();
1271
1272   LS.LatchBr->setSuccessor(LS.LatchBrExitIdx, RRI.ExitSelector);
1273   B.SetInsertPoint(LS.LatchBr);
1274   Value *TakeBackedgeLoopCond = B.CreateICmp(Pred, LS.IndVarBase,
1275                                              ExitSubloopAt);
1276
1277   Value *CondForBranch = LS.LatchBrExitIdx == 1
1278                              ? TakeBackedgeLoopCond
1279                              : B.CreateNot(TakeBackedgeLoopCond);
1280
1281   LS.LatchBr->setCondition(CondForBranch);
1282
1283   B.SetInsertPoint(RRI.ExitSelector);
1284
1285   // IterationsLeft - are there any more iterations left, given the original
1286   // upper bound on the induction variable?  If not, we branch to the "real"
1287   // exit.
1288   Value *IterationsLeft = B.CreateICmp(Pred, LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt);
1289   B.CreateCondBr(IterationsLeft, RRI.PseudoExit, LS.LatchExit);
1290
1291   BranchInst *BranchToContinuation =
1292       BranchInst::Create(ContinuationBlock, RRI.PseudoExit);
1293
1294   // We emit PHI nodes into `RRI.PseudoExit' that compute the "latest" value of
1295   // each of the PHI nodes in the loop header.  This feeds into the initial
1296   // value of the same PHI nodes if/when we continue execution.
1297   for (PHINode &PN : LS.Header->phis()) {
1298     PHINode *NewPHI = PHINode::Create(PN.getType(), 2, PN.getName() + ".copy",
1299                                       BranchToContinuation);
1300
1301     NewPHI->addIncoming(PN.getIncomingValueForBlock(Preheader), Preheader);
1302     NewPHI->addIncoming(PN.getIncomingValueForBlock(LS.Latch),
1303                         RRI.ExitSelector);
1304     RRI.PHIValuesAtPseudoExit.push_back(NewPHI);
1305   }
1306
1307   RRI.IndVarEnd = PHINode::Create(LS.IndVarBase->getType(), 2, "indvar.end",
1308                                   BranchToContinuation);
1309   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarStart, Preheader);
1310   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarBase, RRI.ExitSelector);
1311
1312   // The latch exit now has a branch from `RRI.ExitSelector' instead of
1313   // `LS.Latch'.  The PHI nodes need to be updated to reflect that.
1314   for (PHINode &PN : LS.LatchExit->phis())
1315     replacePHIBlock(&PN, LS.Latch, RRI.ExitSelector);
1316
1317   return RRI;
1318 }
1319
1320 void LoopConstrainer::rewriteIncomingValuesForPHIs(
1321     LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlock,
1322     const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const {
1323   unsigned PHIIndex = 0;
1324   for (PHINode &PN : LS.Header->phis())
1325     for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1326       if (PN.getIncomingBlock(i) == ContinuationBlock)
1327         PN.setIncomingValue(i, RRI.PHIValuesAtPseudoExit[PHIIndex++]);
1328
1329   LS.IndVarStart = RRI.IndVarEnd;
1330 }
1331
1332 BasicBlock *LoopConstrainer::createPreheader(const LoopStructure &LS,
1333                                              BasicBlock *OldPreheader,
1334                                              const char *Tag) const {
1335   BasicBlock *Preheader = BasicBlock::Create(Ctx, Tag, &F, LS.Header);
1336   BranchInst::Create(LS.Header, Preheader);
1337
1338   for (PHINode &PN : LS.Header->phis())
1339     for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1340       replacePHIBlock(&PN, OldPreheader, Preheader);
1341
1342   return Preheader;
1343 }
1344
1345 void LoopConstrainer::addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs) {
1346   Loop *ParentLoop = OriginalLoop.getParentLoop();
1347   if (!ParentLoop)
1348     return;
1349
1350   for (BasicBlock *BB : BBs)
1351     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(BB, LI);
1352 }
1353
1354 Loop *LoopConstrainer::createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
1355                                                  ValueToValueMapTy &VM,
1356                                                  bool IsSubloop) {
1357   Loop &New = *LI.AllocateLoop();
1358   if (Parent)
1359     Parent->addChildLoop(&New);
1360   else
1361     LI.addTopLevelLoop(&New);
1362   LPMAddNewLoop(&New, IsSubloop);
1363
1364   // Add all of the blocks in Original to the new loop.
1365   for (auto *BB : Original->blocks())
1366     if (LI.getLoopFor(BB) == Original)
1367       New.addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[BB]), LI);
1368
1369   // Add all of the subloops to the new loop.
1370   for (Loop *SubLoop : *Original)
1371     createClonedLoopStructure(SubLoop, &New, VM, /* IsSubloop */ true);
1372
1373   return &New;
1374 }
1375
1376 bool LoopConstrainer::run() {
1377   BasicBlock *Preheader = nullptr;
1378   LatchTakenCount = SE.getExitCount(&OriginalLoop, MainLoopStructure.Latch);
1379   Preheader = OriginalLoop.getLoopPreheader();
1380   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchTakenCount) && Preheader != nullptr &&
1381          "preconditions!");
1382
1383   OriginalPreheader = Preheader;
1384   MainLoopPreheader = Preheader;
1385
1386   bool IsSignedPredicate = MainLoopStructure.IsSignedPredicate;
1387   Optional<SubRanges> MaybeSR = calculateSubRanges(IsSignedPredicate);
1388   if (!MaybeSR.hasValue()) {
1389     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not compute subranges\n");
1390     return false;
1391   }
1392
1393   SubRanges SR = MaybeSR.getValue();
1394   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1395   IntegerType *IVTy =
1396       cast<IntegerType>(MainLoopStructure.IndVarBase->getType());
1397
1398   SCEVExpander Expander(SE, F.getParent()->getDataLayout(), "irce");
1399   Instruction *InsertPt = OriginalPreheader->getTerminator();
1400
1401   // It would have been better to make `PreLoop' and `PostLoop'
1402   // `Optional<ClonedLoop>'s, but `ValueToValueMapTy' does not have a copy
1403   // constructor.
1404   ClonedLoop PreLoop, PostLoop;
1405   bool NeedsPreLoop =
1406       Increasing ? SR.LowLimit.hasValue() : SR.HighLimit.hasValue();
1407   bool NeedsPostLoop =
1408       Increasing ? SR.HighLimit.hasValue() : SR.LowLimit.hasValue();
1409
1410   Value *ExitPreLoopAt = nullptr;
1411   Value *ExitMainLoopAt = nullptr;
1412   const SCEVConstant *MinusOneS =
1413       cast<SCEVConstant>(SE.getConstant(IVTy, -1, true /* isSigned */));
1414
1415   if (NeedsPreLoop) {
1416     const SCEV *ExitPreLoopAtSCEV = nullptr;
1417
1418     if (Increasing)
1419       ExitPreLoopAtSCEV = *SR.LowLimit;
1420     else if (cannotBeMinInLoop(*SR.HighLimit, &OriginalLoop, SE,
1421                                IsSignedPredicate))
1422       ExitPreLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.HighLimit, MinusOneS);
1423     else {
1424       LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1425                         << "preloop exit limit.  HighLimit = "
1426                         << *(*SR.HighLimit) << "\n");
1427       return false;
1428     }
1429
1430     if (!isSafeToExpandAt(ExitPreLoopAtSCEV, InsertPt, SE)) {
1431       LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove that it is safe to expand the"
1432                         << " preloop exit limit " << *ExitPreLoopAtSCEV
1433                         << " at block " << InsertPt->getParent()->getName()
1434                         << "\n");
1435       return false;
1436     }
1437
1438     ExitPreLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitPreLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1439     ExitPreLoopAt->setName("exit.preloop.at");
1440   }
1441
1442   if (NeedsPostLoop) {
1443     const SCEV *ExitMainLoopAtSCEV = nullptr;
1444
1445     if (Increasing)
1446       ExitMainLoopAtSCEV = *SR.HighLimit;
1447     else if (cannotBeMinInLoop(*SR.LowLimit, &OriginalLoop, SE,
1448                                IsSignedPredicate))
1449       ExitMainLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.LowLimit, MinusOneS);
1450     else {
1451       LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1452                         << "mainloop exit limit.  LowLimit = "
1453                         << *(*SR.LowLimit) << "\n");
1454       return false;
1455     }
1456
1457     if (!isSafeToExpandAt(ExitMainLoopAtSCEV, InsertPt, SE)) {
1458       LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove that it is safe to expand the"
1459                         << " main loop exit limit " << *ExitMainLoopAtSCEV
1460                         << " at block " << InsertPt->getParent()->getName()
1461                         << "\n");
1462       return false;
1463     }
1464
1465     ExitMainLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitMainLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1466     ExitMainLoopAt->setName("exit.mainloop.at");
1467   }
1468
1469   // We clone these ahead of time so that we don't have to deal with changing
1470   // and temporarily invalid IR as we transform the loops.
1471   if (NeedsPreLoop)
1472     cloneLoop(PreLoop, "preloop");
1473   if (NeedsPostLoop)
1474     cloneLoop(PostLoop, "postloop");
1475
1476   RewrittenRangeInfo PreLoopRRI;
1477
1478   if (NeedsPreLoop) {
1479     Preheader->getTerminator()->replaceUsesOfWith(MainLoopStructure.Header,
1480                                                   PreLoop.Structure.Header);
1481
1482     MainLoopPreheader =
1483         createPreheader(MainLoopStructure, Preheader, "mainloop");
1484     PreLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(PreLoop.Structure, Preheader,
1485                                          ExitPreLoopAt, MainLoopPreheader);
1486     rewriteIncomingValuesForPHIs(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1487                                  PreLoopRRI);
1488   }
1489
1490   BasicBlock *PostLoopPreheader = nullptr;
1491   RewrittenRangeInfo PostLoopRRI;
1492
1493   if (NeedsPostLoop) {
1494     PostLoopPreheader =
1495         createPreheader(PostLoop.Structure, Preheader, "postloop");
1496     PostLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1497                                           ExitMainLoopAt, PostLoopPreheader);
1498     rewriteIncomingValuesForPHIs(PostLoop.Structure, PostLoopPreheader,
1499                                  PostLoopRRI);
1500   }
1501
1502   BasicBlock *NewMainLoopPreheader =
1503       MainLoopPreheader != Preheader ? MainLoopPreheader : nullptr;
1504   BasicBlock *NewBlocks[] = {PostLoopPreheader,        PreLoopRRI.PseudoExit,
1505                              PreLoopRRI.ExitSelector,  PostLoopRRI.PseudoExit,
1506                              PostLoopRRI.ExitSelector, NewMainLoopPreheader};
1507
1508   // Some of the above may be nullptr, filter them out before passing to
1509   // addToParentLoopIfNeeded.
1510   auto NewBlocksEnd =
1511       std::remove(std::begin(NewBlocks), std::end(NewBlocks), nullptr);
1512
1513   addToParentLoopIfNeeded(makeArrayRef(std::begin(NewBlocks), NewBlocksEnd));
1514
1515   DT.recalculate(F);
1516
1517   // We need to first add all the pre and post loop blocks into the loop
1518   // structures (as part of createClonedLoopStructure), and then update the
1519   // LCSSA form and LoopSimplifyForm. This is necessary for correctly updating
1520   // LI when LoopSimplifyForm is generated.
1521   Loop *PreL = nullptr, *PostL = nullptr;
1522   if (!PreLoop.Blocks.empty()) {
1523     PreL = createClonedLoopStructure(&OriginalLoop,
1524                                      OriginalLoop.getParentLoop(), PreLoop.Map,
1525                                      /* IsSubLoop */ false);
1526   }
1527
1528   if (!PostLoop.Blocks.empty()) {
1529     PostL =
1530         createClonedLoopStructure(&OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(),
1531                                   PostLoop.Map, /* IsSubLoop */ false);
1532   }
1533
1534   // This function canonicalizes the loop into Loop-Simplify and LCSSA forms.
1535   auto CanonicalizeLoop = [&] (Loop *L, bool IsOriginalLoop) {
1536     formLCSSARecursively(*L, DT, &LI, &SE);
1537     simplifyLoop(L, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1538     // Pre/post loops are slow paths, we do not need to perform any loop
1539     // optimizations on them.
1540     if (!IsOriginalLoop)
1541       DisableAllLoopOptsOnLoop(*L);
1542   };
1543   if (PreL)
1544     CanonicalizeLoop(PreL, false);
1545   if (PostL)
1546     CanonicalizeLoop(PostL, false);
1547   CanonicalizeLoop(&OriginalLoop, true);
1548
1549   return true;
1550 }
1551
1552 /// Computes and returns a range of values for the induction variable (IndVar)
1553 /// in which the range check can be safely elided.  If it cannot compute such a
1554 /// range, returns None.
1555 Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1556 InductiveRangeCheck::computeSafeIterationSpace(
1557     ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *IndVar,
1558     bool IsLatchSigned) const {
1559   // IndVar is of the form "A + B * I" (where "I" is the canonical induction
1560   // variable, that may or may not exist as a real llvm::Value in the loop) and
1561   // this inductive range check is a range check on the "C + D * I" ("C" is
1562   // getBegin() and "D" is getStep()).  We rewrite the value being range
1563   // checked to "M + N * IndVar" where "N" = "D * B^(-1)" and "M" = "C - NA".
1564   //
1565   // The actual inequalities we solve are of the form
1566   //
1567   //   0 <= M + 1 * IndVar < L given L >= 0  (i.e. N == 1)
1568   //
1569   // Here L stands for upper limit of the safe iteration space.
1570   // The inequality is satisfied by (0 - M) <= IndVar < (L - M). To avoid
1571   // overflows when calculating (0 - M) and (L - M) we, depending on type of
1572   // IV's iteration space, limit the calculations by borders of the iteration
1573   // space. For example, if IndVar is unsigned, (0 - M) overflows for any M > 0.
1574   // If we figured out that "anything greater than (-M) is safe", we strengthen
1575   // this to "everything greater than 0 is safe", assuming that values between
1576   // -M and 0 just do not exist in unsigned iteration space, and we don't want
1577   // to deal with overflown values.
1578
1579   if (!IndVar->isAffine())
1580     return None;
1581
1582   const SCEV *A = IndVar->getStart();
1583   const SCEVConstant *B = dyn_cast<SCEVConstant>(IndVar->getStepRecurrence(SE));
1584   if (!B)
1585     return None;
1586   assert(!B->isZero() && "Recurrence with zero step?");
1587
1588   const SCEV *C = getBegin();
1589   const SCEVConstant *D = dyn_cast<SCEVConstant>(getStep());
1590   if (D != B)
1591     return None;
1592
1593   assert(!D->getValue()->isZero() && "Recurrence with zero step?");
1594   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndVar->getType())->getBitWidth();
1595   const SCEV *SIntMax = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
1596
1597   // Subtract Y from X so that it does not go through border of the IV
1598   // iteration space. Mathematically, it is equivalent to:
1599   //
1600   //    ClampedSubtract(X, Y) = min(max(X - Y, INT_MIN), INT_MAX).        [1]
1601   //
1602   // In [1], 'X - Y' is a mathematical subtraction (result is not bounded to
1603   // any width of bit grid). But after we take min/max, the result is
1604   // guaranteed to be within [INT_MIN, INT_MAX].
1605   //
1606   // In [1], INT_MAX and INT_MIN are respectively signed and unsigned max/min
1607   // values, depending on type of latch condition that defines IV iteration
1608   // space.
1609   auto ClampedSubtract = [&](const SCEV *X, const SCEV *Y) {
1610     // FIXME: The current implementation assumes that X is in [0, SINT_MAX].
1611     // This is required to ensure that SINT_MAX - X does not overflow signed and
1612     // that X - Y does not overflow unsigned if Y is negative. Can we lift this
1613     // restriction and make it work for negative X either?
1614     if (IsLatchSigned) {
1615       // X is a number from signed range, Y is interpreted as signed.
1616       // Even if Y is SINT_MAX, (X - Y) does not reach SINT_MIN. So the only
1617       // thing we should care about is that we didn't cross SINT_MAX.
1618       // So, if Y is positive, we subtract Y safely.
1619       //   Rule 1: Y > 0 ---> Y.
1620       // If 0 <= -Y <= (SINT_MAX - X), we subtract Y safely.
1621       //   Rule 2: Y >=s (X - SINT_MAX) ---> Y.
1622       // If 0 <= (SINT_MAX - X) < -Y, we can only subtract (X - SINT_MAX).
1623       //   Rule 3: Y <s (X - SINT_MAX) ---> (X - SINT_MAX).
1624       // It gives us smax(Y, X - SINT_MAX) to subtract in all cases.
1625       const SCEV *XMinusSIntMax = SE.getMinusSCEV(X, SIntMax);
1626       return SE.getMinusSCEV(X, SE.getSMaxExpr(Y, XMinusSIntMax),
1627                              SCEV::FlagNSW);
1628     } else
1629       // X is a number from unsigned range, Y is interpreted as signed.
1630       // Even if Y is SINT_MIN, (X - Y) does not reach UINT_MAX. So the only
1631       // thing we should care about is that we didn't cross zero.
1632       // So, if Y is negative, we subtract Y safely.
1633       //   Rule 1: Y <s 0 ---> Y.
1634       // If 0 <= Y <= X, we subtract Y safely.
1635       //   Rule 2: Y <=s X ---> Y.
1636       // If 0 <= X < Y, we should stop at 0 and can only subtract X.
1637       //   Rule 3: Y >s X ---> X.
1638       // It gives us smin(X, Y) to subtract in all cases.
1639       return SE.getMinusSCEV(X, SE.getSMinExpr(X, Y), SCEV::FlagNUW);
1640   };
1641   const SCEV *M = SE.getMinusSCEV(C, A);
1642   const SCEV *Zero = SE.getZero(M->getType());
1643
1644   // This function returns SCEV equal to 1 if X is non-negative 0 otherwise.
1645   auto SCEVCheckNonNegative = [&](const SCEV *X) {
1646     const Loop *L = IndVar->getLoop();
1647     const SCEV *One = SE.getOne(X->getType());
1648     // Can we trivially prove that X is a non-negative or negative value?
1649     if (isKnownNonNegativeInLoop(X, L, SE))
1650       return One;
1651     else if (isKnownNegativeInLoop(X, L, SE))
1652       return Zero;
1653     // If not, we will have to figure it out during the execution.
1654     // Function smax(smin(X, 0), -1) + 1 equals to 1 if X >= 0 and 0 if X < 0.
1655     const SCEV *NegOne = SE.getNegativeSCEV(One);
1656     return SE.getAddExpr(SE.getSMaxExpr(SE.getSMinExpr(X, Zero), NegOne), One);
1657   };
1658   // FIXME: Current implementation of ClampedSubtract implicitly assumes that
1659   // X is non-negative (in sense of a signed value). We need to re-implement
1660   // this function in a way that it will correctly handle negative X as well.
1661   // We use it twice: for X = 0 everything is fine, but for X = getEnd() we can
1662   // end up with a negative X and produce wrong results. So currently we ensure
1663   // that if getEnd() is negative then both ends of the safe range are zero.
1664   // Note that this may pessimize elimination of unsigned range checks against
1665   // negative values.
1666   const SCEV *REnd = getEnd();
1667   const SCEV *EndIsNonNegative = SCEVCheckNonNegative(REnd);
1668
1669   const SCEV *Begin = SE.getMulExpr(ClampedSubtract(Zero, M), EndIsNonNegative);
1670   const SCEV *End = SE.getMulExpr(ClampedSubtract(REnd, M), EndIsNonNegative);
1671   return InductiveRangeCheck::Range(Begin, End);
1672 }
1673
1674 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1675 IntersectSignedRange(ScalarEvolution &SE,
1676                      const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1677                      const InductiveRangeCheck::Range &R2) {
1678   if (R2.isEmpty(SE, /* IsSigned */ true))
1679     return None;
1680   if (!R1.hasValue())
1681     return R2;
1682   auto &R1Value = R1.getValue();
1683   // We never return empty ranges from this function, and R1 is supposed to be
1684   // a result of intersection. Thus, R1 is never empty.
1685   assert(!R1Value.isEmpty(SE, /* IsSigned */ true) &&
1686          "We should never have empty R1!");
1687
1688   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1689   // bail out to keep things simple.
1690   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1691     return None;
1692
1693   const SCEV *NewBegin = SE.getSMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1694   const SCEV *NewEnd = SE.getSMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1695
1696   // If the resulting range is empty, just return None.
1697   auto Ret = InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1698   if (Ret.isEmpty(SE, /* IsSigned */ true))
1699     return None;
1700   return Ret;
1701 }
1702
1703 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1704 IntersectUnsignedRange(ScalarEvolution &SE,
1705                        const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1706                        const InductiveRangeCheck::Range &R2) {
1707   if (R2.isEmpty(SE, /* IsSigned */ false))
1708     return None;
1709   if (!R1.hasValue())
1710     return R2;
1711   auto &R1Value = R1.getValue();
1712   // We never return empty ranges from this function, and R1 is supposed to be
1713   // a result of intersection. Thus, R1 is never empty.
1714   assert(!R1Value.isEmpty(SE, /* IsSigned */ false) &&
1715          "We should never have empty R1!");
1716
1717   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1718   // bail out to keep things simple.
1719   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1720     return None;
1721
1722   const SCEV *NewBegin = SE.getUMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1723   const SCEV *NewEnd = SE.getUMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1724
1725   // If the resulting range is empty, just return None.
1726   auto Ret = InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1727   if (Ret.isEmpty(SE, /* IsSigned */ false))
1728     return None;
1729   return Ret;
1730 }
1731
1732 PreservedAnalyses IRCEPass::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM,
1733                                 LoopStandardAnalysisResults &AR,
1734                                 LPMUpdater &U) {
1735   Function *F = L.getHeader()->getParent();
1736   const auto &FAM =
1737       AM.getResult<FunctionAnalysisManagerLoopProxy>(L, AR).getManager();
1738   auto *BPI = FAM.getCachedResult<BranchProbabilityAnalysis>(*F);
1739   InductiveRangeCheckElimination IRCE(AR.SE, BPI, AR.DT, AR.LI);
1740   auto LPMAddNewLoop = [&U](Loop *NL, bool IsSubloop) {
1741     if (!IsSubloop)
1742       U.addSiblingLoops(NL);
1743   };
1744   bool Changed = IRCE.run(&L, LPMAddNewLoop);
1745   if (!Changed)
1746     return PreservedAnalyses::all();
1747
1748   return getLoopPassPreservedAnalyses();
1749 }
1750
1751 bool IRCELegacyPass::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1752   if (skipLoop(L))
1753     return false;
1754
1755   ScalarEvolution &SE = getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1756   BranchProbabilityInfo &BPI =
1757       getAnalysis<BranchProbabilityInfoWrapperPass>().getBPI();
1758   auto &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1759   auto &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1760   InductiveRangeCheckElimination IRCE(SE, &BPI, DT, LI);
1761   auto LPMAddNewLoop = [&LPM](Loop *NL, bool /* IsSubLoop */) {
1762     LPM.addLoop(*NL);
1763   };
1764   return IRCE.run(L, LPMAddNewLoop);
1765 }
1766
1767 bool InductiveRangeCheckElimination::run(
1768     Loop *L, function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop) {
1769   if (L->getBlocks().size() >= LoopSizeCutoff) {
1770     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: giving up constraining loop, too large\n");
1771     return false;
1772   }
1773
1774   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1775   if (!Preheader) {
1776     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: loop has no preheader, leaving\n");
1777     return false;
1778   }
1779
1780   LLVMContext &Context = Preheader->getContext();
1781   SmallVector<InductiveRangeCheck, 16> RangeChecks;
1782
1783   for (auto BBI : L->getBlocks())
1784     if (BranchInst *TBI = dyn_cast<BranchInst>(BBI->getTerminator()))
1785       InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(TBI, L, SE, BPI,
1786                                                         RangeChecks);
1787
1788   if (RangeChecks.empty())
1789     return false;
1790
1791   auto PrintRecognizedRangeChecks = [&](raw_ostream &OS) {
1792     OS << "irce: looking at loop "; L->print(OS);
1793     OS << "irce: loop has " << RangeChecks.size()
1794        << " inductive range checks: \n";
1795     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks)
1796       IRC.print(OS);
1797   };
1798
1799   LLVM_DEBUG(PrintRecognizedRangeChecks(dbgs()));
1800
1801   if (PrintRangeChecks)
1802     PrintRecognizedRangeChecks(errs());
1803
1804   const char *FailureReason = nullptr;
1805   Optional<LoopStructure> MaybeLoopStructure =
1806       LoopStructure::parseLoopStructure(SE, BPI, *L, FailureReason);
1807   if (!MaybeLoopStructure.hasValue()) {
1808     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not parse loop structure: "
1809                       << FailureReason << "\n";);
1810     return false;
1811   }
1812   LoopStructure LS = MaybeLoopStructure.getValue();
1813   const SCEVAddRecExpr *IndVar =
1814       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getMinusSCEV(SE.getSCEV(LS.IndVarBase), SE.getSCEV(LS.IndVarStep)));
1815
1816   Optional<InductiveRangeCheck::Range> SafeIterRange;
1817   Instruction *ExprInsertPt = Preheader->getTerminator();
1818
1819   SmallVector<InductiveRangeCheck, 4> RangeChecksToEliminate;
1820   // Basing on the type of latch predicate, we interpret the IV iteration range
1821   // as signed or unsigned range. We use different min/max functions (signed or
1822   // unsigned) when intersecting this range with safe iteration ranges implied
1823   // by range checks.
1824   auto IntersectRange =
1825       LS.IsSignedPredicate ? IntersectSignedRange : IntersectUnsignedRange;
1826
1827   IRBuilder<> B(ExprInsertPt);
1828   for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks) {
1829     auto Result = IRC.computeSafeIterationSpace(SE, IndVar,
1830                                                 LS.IsSignedPredicate);
1831     if (Result.hasValue()) {
1832       auto MaybeSafeIterRange =
1833           IntersectRange(SE, SafeIterRange, Result.getValue());
1834       if (MaybeSafeIterRange.hasValue()) {
1835         assert(
1836             !MaybeSafeIterRange.getValue().isEmpty(SE, LS.IsSignedPredicate) &&
1837             "We should never return empty ranges!");
1838         RangeChecksToEliminate.push_back(IRC);
1839         SafeIterRange = MaybeSafeIterRange.getValue();
1840       }
1841     }
1842   }
1843
1844   if (!SafeIterRange.hasValue())
1845     return false;
1846
1847   LoopConstrainer LC(*L, LI, LPMAddNewLoop, LS, SE, DT,
1848                      SafeIterRange.getValue());
1849   bool Changed = LC.run();
1850
1851   if (Changed) {
1852     auto PrintConstrainedLoopInfo = [L]() {
1853       dbgs() << "irce: in function ";
1854       dbgs() << L->getHeader()->getParent()->getName() << ": ";
1855       dbgs() << "constrained ";
1856       L->print(dbgs());
1857     };
1858
1859     LLVM_DEBUG(PrintConstrainedLoopInfo());
1860
1861     if (PrintChangedLoops)
1862       PrintConstrainedLoopInfo();
1863
1864     // Optimize away the now-redundant range checks.
1865
1866     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecksToEliminate) {
1867       ConstantInt *FoldedRangeCheck = IRC.getPassingDirection()
1868                                           ? ConstantInt::getTrue(Context)
1869                                           : ConstantInt::getFalse(Context);
1870       IRC.getCheckUse()->set(FoldedRangeCheck);
1871     }
1872   }
1873
1874   return Changed;
1875 }
1876
1877 Pass *llvm::createInductiveRangeCheckEliminationPass() {
1878   return new IRCELegacyPass();
1879 }