]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/InductiveRangeCheckElimination.cpp
Merge clang 7.0.1 and several follow-up changes
[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   // Classifies a range check
137   enum RangeCheckKind : unsigned {
138     // Range check of the form "0 <= I".
139     RANGE_CHECK_LOWER = 1,
140
141     // Range check of the form "I < L" where L is known positive.
142     RANGE_CHECK_UPPER = 2,
143
144     // The logical and of the RANGE_CHECK_LOWER and RANGE_CHECK_UPPER
145     // conditions.
146     RANGE_CHECK_BOTH = RANGE_CHECK_LOWER | RANGE_CHECK_UPPER,
147
148     // Unrecognized range check condition.
149     RANGE_CHECK_UNKNOWN = (unsigned)-1
150   };
151
152   static StringRef rangeCheckKindToStr(RangeCheckKind);
153
154   const SCEV *Begin = nullptr;
155   const SCEV *Step = nullptr;
156   const SCEV *End = nullptr;
157   Use *CheckUse = nullptr;
158   RangeCheckKind Kind = RANGE_CHECK_UNKNOWN;
159   bool IsSigned = true;
160
161   static RangeCheckKind parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
162                                             ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
163                                             Value *&Length, bool &IsSigned);
164
165   static void
166   extractRangeChecksFromCond(Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
167                              SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
168                              SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited);
169
170 public:
171   const SCEV *getBegin() const { return Begin; }
172   const SCEV *getStep() const { return Step; }
173   const SCEV *getEnd() const { return End; }
174   bool isSigned() const { return IsSigned; }
175
176   void print(raw_ostream &OS) const {
177     OS << "InductiveRangeCheck:\n";
178     OS << "  Kind: " << rangeCheckKindToStr(Kind) << "\n";
179     OS << "  Begin: ";
180     Begin->print(OS);
181     OS << "  Step: ";
182     Step->print(OS);
183     OS << "  End: ";
184     End->print(OS);
185     OS << "\n  CheckUse: ";
186     getCheckUse()->getUser()->print(OS);
187     OS << " Operand: " << getCheckUse()->getOperandNo() << "\n";
188   }
189
190   LLVM_DUMP_METHOD
191   void dump() {
192     print(dbgs());
193   }
194
195   Use *getCheckUse() const { return CheckUse; }
196
197   /// Represents an signed integer range [Range.getBegin(), Range.getEnd()).  If
198   /// R.getEnd() le R.getBegin(), then R denotes the empty range.
199
200   class Range {
201     const SCEV *Begin;
202     const SCEV *End;
203
204   public:
205     Range(const SCEV *Begin, const SCEV *End) : Begin(Begin), End(End) {
206       assert(Begin->getType() == End->getType() && "ill-typed range!");
207     }
208
209     Type *getType() const { return Begin->getType(); }
210     const SCEV *getBegin() const { return Begin; }
211     const SCEV *getEnd() const { return End; }
212     bool isEmpty(ScalarEvolution &SE, bool IsSigned) const {
213       if (Begin == End)
214         return true;
215       if (IsSigned)
216         return SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SGE, Begin, End);
217       else
218         return SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_UGE, Begin, End);
219     }
220   };
221
222   /// This is the value the condition of the branch needs to evaluate to for the
223   /// branch to take the hot successor (see (1) above).
224   bool getPassingDirection() { return true; }
225
226   /// Computes a range for the induction variable (IndVar) in which the range
227   /// check is redundant and can be constant-folded away.  The induction
228   /// variable is not required to be the canonical {0,+,1} induction variable.
229   Optional<Range> computeSafeIterationSpace(ScalarEvolution &SE,
230                                             const SCEVAddRecExpr *IndVar,
231                                             bool IsLatchSigned) const;
232
233   /// Parse out a set of inductive range checks from \p BI and append them to \p
234   /// Checks.
235   ///
236   /// NB! There may be conditions feeding into \p BI that aren't inductive range
237   /// checks, and hence don't end up in \p Checks.
238   static void
239   extractRangeChecksFromBranch(BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE,
240                                BranchProbabilityInfo *BPI,
241                                SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks);
242 };
243
244 class InductiveRangeCheckElimination {
245   ScalarEvolution &SE;
246   BranchProbabilityInfo *BPI;
247   DominatorTree &DT;
248   LoopInfo &LI;
249
250 public:
251   InductiveRangeCheckElimination(ScalarEvolution &SE,
252                                  BranchProbabilityInfo *BPI, DominatorTree &DT,
253                                  LoopInfo &LI)
254       : SE(SE), BPI(BPI), DT(DT), LI(LI) {}
255
256   bool run(Loop *L, function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop);
257 };
258
259 class IRCELegacyPass : public LoopPass {
260 public:
261   static char ID;
262
263   IRCELegacyPass() : LoopPass(ID) {
264     initializeIRCELegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
265   }
266
267   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
268     AU.addRequired<BranchProbabilityInfoWrapperPass>();
269     getLoopAnalysisUsage(AU);
270   }
271
272   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
273 };
274
275 } // end anonymous namespace
276
277 char IRCELegacyPass::ID = 0;
278
279 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IRCELegacyPass, "irce",
280                       "Inductive range check elimination", false, false)
281 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BranchProbabilityInfoWrapperPass)
282 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
283 INITIALIZE_PASS_END(IRCELegacyPass, "irce", "Inductive range check elimination",
284                     false, false)
285
286 StringRef InductiveRangeCheck::rangeCheckKindToStr(
287     InductiveRangeCheck::RangeCheckKind RCK) {
288   switch (RCK) {
289   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN:
290     return "RANGE_CHECK_UNKNOWN";
291
292   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UPPER:
293     return "RANGE_CHECK_UPPER";
294
295   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER:
296     return "RANGE_CHECK_LOWER";
297
298   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_BOTH:
299     return "RANGE_CHECK_BOTH";
300   }
301
302   llvm_unreachable("unknown range check type!");
303 }
304
305 /// Parse a single ICmp instruction, `ICI`, into a range check.  If `ICI` cannot
306 /// be interpreted as a range check, return `RANGE_CHECK_UNKNOWN` and set
307 /// `Index` and `Length` to `nullptr`.  Otherwise set `Index` to the value being
308 /// range checked, and set `Length` to the upper limit `Index` is being range
309 /// checked with if (and only if) the range check type is stronger or equal to
310 /// RANGE_CHECK_UPPER.
311 InductiveRangeCheck::RangeCheckKind
312 InductiveRangeCheck::parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
313                                          ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
314                                          Value *&Length, bool &IsSigned) {
315   auto IsLoopInvariant = [&SE, L](Value *V) {
316     return SE.isLoopInvariant(SE.getSCEV(V), L);
317   };
318
319   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
320   Value *LHS = ICI->getOperand(0);
321   Value *RHS = ICI->getOperand(1);
322
323   switch (Pred) {
324   default:
325     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
326
327   case ICmpInst::ICMP_SLE:
328     std::swap(LHS, RHS);
329     LLVM_FALLTHROUGH;
330   case ICmpInst::ICMP_SGE:
331     IsSigned = true;
332     if (match(RHS, m_ConstantInt<0>())) {
333       Index = LHS;
334       return RANGE_CHECK_LOWER;
335     }
336     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
337
338   case ICmpInst::ICMP_SLT:
339     std::swap(LHS, RHS);
340     LLVM_FALLTHROUGH;
341   case ICmpInst::ICMP_SGT:
342     IsSigned = true;
343     if (match(RHS, m_ConstantInt<-1>())) {
344       Index = LHS;
345       return RANGE_CHECK_LOWER;
346     }
347
348     if (IsLoopInvariant(LHS)) {
349       Index = RHS;
350       Length = LHS;
351       return RANGE_CHECK_UPPER;
352     }
353     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
354
355   case ICmpInst::ICMP_ULT:
356     std::swap(LHS, RHS);
357     LLVM_FALLTHROUGH;
358   case ICmpInst::ICMP_UGT:
359     IsSigned = false;
360     if (IsLoopInvariant(LHS)) {
361       Index = RHS;
362       Length = LHS;
363       return RANGE_CHECK_BOTH;
364     }
365     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
366   }
367
368   llvm_unreachable("default clause returns!");
369 }
370
371 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(
372     Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
373     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
374     SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) {
375   Value *Condition = ConditionUse.get();
376   if (!Visited.insert(Condition).second)
377     return;
378
379   // TODO: Do the same for OR, XOR, NOT etc?
380   if (match(Condition, m_And(m_Value(), m_Value()))) {
381     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(0),
382                                Checks, Visited);
383     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(1),
384                                Checks, Visited);
385     return;
386   }
387
388   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(Condition);
389   if (!ICI)
390     return;
391
392   Value *Length = nullptr, *Index;
393   bool IsSigned;
394   auto RCKind = parseRangeCheckICmp(L, ICI, SE, Index, Length, IsSigned);
395   if (RCKind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN)
396     return;
397
398   const auto *IndexAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Index));
399   bool IsAffineIndex =
400       IndexAddRec && (IndexAddRec->getLoop() == L) && IndexAddRec->isAffine();
401
402   if (!IsAffineIndex)
403     return;
404
405   const SCEV *End = nullptr;
406   // We strengthen "0 <= I" to "0 <= I < INT_SMAX" and "I < L" to "0 <= I < L".
407   // We can potentially do much better here.
408   if (Length)
409     End = SE.getSCEV(Length);
410   else {
411     assert(RCKind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER && "invariant!");
412     // So far we can only reach this point for Signed range check. This may
413     // change in future. In this case we will need to pick Unsigned max for the
414     // unsigned range check.
415     unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndexAddRec->getType())->getBitWidth();
416     const SCEV *SIntMax = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
417     End = SIntMax;
418   }
419
420   InductiveRangeCheck IRC;
421   IRC.End = End;
422   IRC.Begin = IndexAddRec->getStart();
423   IRC.Step = IndexAddRec->getStepRecurrence(SE);
424   IRC.CheckUse = &ConditionUse;
425   IRC.Kind = RCKind;
426   IRC.IsSigned = IsSigned;
427   Checks.push_back(IRC);
428 }
429
430 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(
431     BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE, BranchProbabilityInfo *BPI,
432     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks) {
433   if (BI->isUnconditional() || BI->getParent() == L->getLoopLatch())
434     return;
435
436   BranchProbability LikelyTaken(15, 16);
437
438   if (!SkipProfitabilityChecks && BPI &&
439       BPI->getEdgeProbability(BI->getParent(), (unsigned)0) < LikelyTaken)
440     return;
441
442   SmallPtrSet<Value *, 8> Visited;
443   InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(L, SE, BI->getOperandUse(0),
444                                                   Checks, Visited);
445 }
446
447 // Add metadata to the loop L to disable loop optimizations. Callers need to
448 // confirm that optimizing loop L is not beneficial.
449 static void DisableAllLoopOptsOnLoop(Loop &L) {
450   // We do not care about any existing loopID related metadata for L, since we
451   // are setting all loop metadata to false.
452   LLVMContext &Context = L.getHeader()->getContext();
453   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
454   MDNode *Dummy = MDNode::get(Context, {});
455   MDNode *DisableUnroll = MDNode::get(
456       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable")});
457   Metadata *FalseVal =
458       ConstantAsMetadata::get(ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Context), 0));
459   MDNode *DisableVectorize = MDNode::get(
460       Context,
461       {MDString::get(Context, "llvm.loop.vectorize.enable"), FalseVal});
462   MDNode *DisableLICMVersioning = MDNode::get(
463       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.licm_versioning.disable")});
464   MDNode *DisableDistribution= MDNode::get(
465       Context,
466       {MDString::get(Context, "llvm.loop.distribute.enable"), FalseVal});
467   MDNode *NewLoopID =
468       MDNode::get(Context, {Dummy, DisableUnroll, DisableVectorize,
469                             DisableLICMVersioning, DisableDistribution});
470   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
471   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
472   L.setLoopID(NewLoopID);
473 }
474
475 namespace {
476
477 // Keeps track of the structure of a loop.  This is similar to llvm::Loop,
478 // except that it is more lightweight and can track the state of a loop through
479 // changing and potentially invalid IR.  This structure also formalizes the
480 // kinds of loops we can deal with -- ones that have a single latch that is also
481 // an exiting block *and* have a canonical induction variable.
482 struct LoopStructure {
483   const char *Tag = "";
484
485   BasicBlock *Header = nullptr;
486   BasicBlock *Latch = nullptr;
487
488   // `Latch's terminator instruction is `LatchBr', and it's `LatchBrExitIdx'th
489   // successor is `LatchExit', the exit block of the loop.
490   BranchInst *LatchBr = nullptr;
491   BasicBlock *LatchExit = nullptr;
492   unsigned LatchBrExitIdx = std::numeric_limits<unsigned>::max();
493
494   // The loop represented by this instance of LoopStructure is semantically
495   // equivalent to:
496   //
497   // intN_ty inc = IndVarIncreasing ? 1 : -1;
498   // pred_ty predicate = IndVarIncreasing ? ICMP_SLT : ICMP_SGT;
499   //
500   // for (intN_ty iv = IndVarStart; predicate(iv, LoopExitAt); iv = IndVarBase)
501   //   ... body ...
502
503   Value *IndVarBase = nullptr;
504   Value *IndVarStart = nullptr;
505   Value *IndVarStep = nullptr;
506   Value *LoopExitAt = nullptr;
507   bool IndVarIncreasing = false;
508   bool IsSignedPredicate = true;
509
510   LoopStructure() = default;
511
512   template <typename M> LoopStructure map(M Map) const {
513     LoopStructure Result;
514     Result.Tag = Tag;
515     Result.Header = cast<BasicBlock>(Map(Header));
516     Result.Latch = cast<BasicBlock>(Map(Latch));
517     Result.LatchBr = cast<BranchInst>(Map(LatchBr));
518     Result.LatchExit = cast<BasicBlock>(Map(LatchExit));
519     Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
520     Result.IndVarBase = Map(IndVarBase);
521     Result.IndVarStart = Map(IndVarStart);
522     Result.IndVarStep = Map(IndVarStep);
523     Result.LoopExitAt = Map(LoopExitAt);
524     Result.IndVarIncreasing = IndVarIncreasing;
525     Result.IsSignedPredicate = IsSignedPredicate;
526     return Result;
527   }
528
529   static Optional<LoopStructure> parseLoopStructure(ScalarEvolution &,
530                                                     BranchProbabilityInfo *BPI,
531                                                     Loop &, const char *&);
532 };
533
534 /// This class is used to constrain loops to run within a given iteration space.
535 /// The algorithm this class implements is given a Loop and a range [Begin,
536 /// End).  The algorithm then tries to break out a "main loop" out of the loop
537 /// it is given in a way that the "main loop" runs with the induction variable
538 /// in a subset of [Begin, End).  The algorithm emits appropriate pre and post
539 /// loops to run any remaining iterations.  The pre loop runs any iterations in
540 /// which the induction variable is < Begin, and the post loop runs any
541 /// iterations in which the induction variable is >= End.
542 class LoopConstrainer {
543   // The representation of a clone of the original loop we started out with.
544   struct ClonedLoop {
545     // The cloned blocks
546     std::vector<BasicBlock *> Blocks;
547
548     // `Map` maps values in the clonee into values in the cloned version
549     ValueToValueMapTy Map;
550
551     // An instance of `LoopStructure` for the cloned loop
552     LoopStructure Structure;
553   };
554
555   // Result of rewriting the range of a loop.  See changeIterationSpaceEnd for
556   // more details on what these fields mean.
557   struct RewrittenRangeInfo {
558     BasicBlock *PseudoExit = nullptr;
559     BasicBlock *ExitSelector = nullptr;
560     std::vector<PHINode *> PHIValuesAtPseudoExit;
561     PHINode *IndVarEnd = nullptr;
562
563     RewrittenRangeInfo() = default;
564   };
565
566   // Calculated subranges we restrict the iteration space of the main loop to.
567   // See the implementation of `calculateSubRanges' for more details on how
568   // these fields are computed.  `LowLimit` is None if there is no restriction
569   // on low end of the restricted iteration space of the main loop.  `HighLimit`
570   // is None if there is no restriction on high end of the restricted iteration
571   // space of the main loop.
572
573   struct SubRanges {
574     Optional<const SCEV *> LowLimit;
575     Optional<const SCEV *> HighLimit;
576   };
577
578   // A utility function that does a `replaceUsesOfWith' on the incoming block
579   // set of a `PHINode' -- replaces instances of `Block' in the `PHINode's
580   // incoming block list with `ReplaceBy'.
581   static void replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
582                               BasicBlock *ReplaceBy);
583
584   // Compute a safe set of limits for the main loop to run in -- effectively the
585   // intersection of `Range' and the iteration space of the original loop.
586   // Return None if unable to compute the set of subranges.
587   Optional<SubRanges> calculateSubRanges(bool IsSignedPredicate) const;
588
589   // Clone `OriginalLoop' and return the result in CLResult.  The IR after
590   // running `cloneLoop' is well formed except for the PHI nodes in CLResult --
591   // the PHI nodes say that there is an incoming edge from `OriginalPreheader`
592   // but there is no such edge.
593   void cloneLoop(ClonedLoop &CLResult, const char *Tag) const;
594
595   // Create the appropriate loop structure needed to describe a cloned copy of
596   // `Original`.  The clone is described by `VM`.
597   Loop *createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
598                                   ValueToValueMapTy &VM, bool IsSubloop);
599
600   // Rewrite the iteration space of the loop denoted by (LS, Preheader). The
601   // iteration space of the rewritten loop ends at ExitLoopAt.  The start of the
602   // iteration space is not changed.  `ExitLoopAt' is assumed to be slt
603   // `OriginalHeaderCount'.
604   //
605   // If there are iterations left to execute, control is made to jump to
606   // `ContinuationBlock', otherwise they take the normal loop exit.  The
607   // returned `RewrittenRangeInfo' object is populated as follows:
608   //
609   //  .PseudoExit is a basic block that unconditionally branches to
610   //      `ContinuationBlock'.
611   //
612   //  .ExitSelector is a basic block that decides, on exit from the loop,
613   //      whether to branch to the "true" exit or to `PseudoExit'.
614   //
615   //  .PHIValuesAtPseudoExit are PHINodes in `PseudoExit' that compute the value
616   //      for each PHINode in the loop header on taking the pseudo exit.
617   //
618   // After changeIterationSpaceEnd, `Preheader' is no longer a legitimate
619   // preheader because it is made to branch to the loop header only
620   // conditionally.
621   RewrittenRangeInfo
622   changeIterationSpaceEnd(const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader,
623                           Value *ExitLoopAt,
624                           BasicBlock *ContinuationBlock) const;
625
626   // The loop denoted by `LS' has `OldPreheader' as its preheader.  This
627   // function creates a new preheader for `LS' and returns it.
628   BasicBlock *createPreheader(const LoopStructure &LS, BasicBlock *OldPreheader,
629                               const char *Tag) const;
630
631   // `ContinuationBlockAndPreheader' was the continuation block for some call to
632   // `changeIterationSpaceEnd' and is the preheader to the loop denoted by `LS'.
633   // This function rewrites the PHI nodes in `LS.Header' to start with the
634   // correct value.
635   void rewriteIncomingValuesForPHIs(
636       LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlockAndPreheader,
637       const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const;
638
639   // Even though we do not preserve any passes at this time, we at least need to
640   // keep the parent loop structure consistent.  The `LPPassManager' seems to
641   // verify this after running a loop pass.  This function adds the list of
642   // blocks denoted by BBs to this loops parent loop if required.
643   void addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs);
644
645   // Some global state.
646   Function &F;
647   LLVMContext &Ctx;
648   ScalarEvolution &SE;
649   DominatorTree &DT;
650   LoopInfo &LI;
651   function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop;
652
653   // Information about the original loop we started out with.
654   Loop &OriginalLoop;
655
656   const SCEV *LatchTakenCount = nullptr;
657   BasicBlock *OriginalPreheader = nullptr;
658
659   // The preheader of the main loop.  This may or may not be different from
660   // `OriginalPreheader'.
661   BasicBlock *MainLoopPreheader = nullptr;
662
663   // The range we need to run the main loop in.
664   InductiveRangeCheck::Range Range;
665
666   // The structure of the main loop (see comment at the beginning of this class
667   // for a definition)
668   LoopStructure MainLoopStructure;
669
670 public:
671   LoopConstrainer(Loop &L, LoopInfo &LI,
672                   function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop,
673                   const LoopStructure &LS, ScalarEvolution &SE,
674                   DominatorTree &DT, InductiveRangeCheck::Range R)
675       : F(*L.getHeader()->getParent()), Ctx(L.getHeader()->getContext()),
676         SE(SE), DT(DT), LI(LI), LPMAddNewLoop(LPMAddNewLoop), OriginalLoop(L),
677         Range(R), MainLoopStructure(LS) {}
678
679   // Entry point for the algorithm.  Returns true on success.
680   bool run();
681 };
682
683 } // end anonymous namespace
684
685 void LoopConstrainer::replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
686                                       BasicBlock *ReplaceBy) {
687   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
688     if (PN->getIncomingBlock(i) == Block)
689       PN->setIncomingBlock(i, ReplaceBy);
690 }
691
692 static bool CannotBeMaxInLoop(const SCEV *BoundSCEV, Loop *L,
693                               ScalarEvolution &SE, bool Signed) {
694   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(BoundSCEV->getType())->getBitWidth();
695   APInt Max = Signed ? APInt::getSignedMaxValue(BitWidth) :
696     APInt::getMaxValue(BitWidth);
697   auto Predicate = Signed ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT;
698   return SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L) &&
699          SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, Predicate, BoundSCEV,
700                                      SE.getConstant(Max));
701 }
702
703 /// Given a loop with an deccreasing induction variable, is it possible to
704 /// safely calculate the bounds of a new loop using the given Predicate.
705 static bool isSafeDecreasingBound(const SCEV *Start,
706                                   const SCEV *BoundSCEV, const SCEV *Step,
707                                   ICmpInst::Predicate Pred,
708                                   unsigned LatchBrExitIdx,
709                                   Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
710   if (Pred != ICmpInst::ICMP_SLT && Pred != ICmpInst::ICMP_SGT &&
711       Pred != ICmpInst::ICMP_ULT && Pred != ICmpInst::ICMP_UGT)
712     return false;
713
714   if (!SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L))
715     return false;
716
717   assert(SE.isKnownNegative(Step) && "expecting negative step");
718
719   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: isSafeDecreasingBound with:\n");
720   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Start: " << *Start << "\n");
721   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Step: " << *Step << "\n");
722   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: BoundSCEV: " << *BoundSCEV << "\n");
723   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Pred: " << ICmpInst::getPredicateName(Pred)
724                     << "\n");
725   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: LatchExitBrIdx: " << LatchBrExitIdx << "\n");
726
727   bool IsSigned = ICmpInst::isSigned(Pred);
728   // The predicate that we need to check that the induction variable lies
729   // within bounds.
730   ICmpInst::Predicate BoundPred =
731     IsSigned ? CmpInst::ICMP_SGT : CmpInst::ICMP_UGT;
732
733   if (LatchBrExitIdx == 1)
734     return SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start, BoundSCEV);
735
736   assert(LatchBrExitIdx == 0 &&
737          "LatchBrExitIdx should be either 0 or 1");
738
739   const SCEV *StepPlusOne = SE.getAddExpr(Step, SE.getOne(Step->getType()));
740   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(BoundSCEV->getType())->getBitWidth();
741   APInt Min = IsSigned ? APInt::getSignedMinValue(BitWidth) :
742     APInt::getMinValue(BitWidth);
743   const SCEV *Limit = SE.getMinusSCEV(SE.getConstant(Min), StepPlusOne);
744
745   const SCEV *MinusOne =
746     SE.getMinusSCEV(BoundSCEV, SE.getOne(BoundSCEV->getType()));
747
748   return SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start, MinusOne) &&
749          SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, BoundSCEV, Limit);
750
751 }
752
753 /// Given a loop with an increasing induction variable, is it possible to
754 /// safely calculate the bounds of a new loop using the given Predicate.
755 static bool isSafeIncreasingBound(const SCEV *Start,
756                                   const SCEV *BoundSCEV, const SCEV *Step,
757                                   ICmpInst::Predicate Pred,
758                                   unsigned LatchBrExitIdx,
759                                   Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
760   if (Pred != ICmpInst::ICMP_SLT && Pred != ICmpInst::ICMP_SGT &&
761       Pred != ICmpInst::ICMP_ULT && Pred != ICmpInst::ICMP_UGT)
762     return false;
763
764   if (!SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L))
765     return false;
766
767   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: isSafeIncreasingBound with:\n");
768   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Start: " << *Start << "\n");
769   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Step: " << *Step << "\n");
770   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: BoundSCEV: " << *BoundSCEV << "\n");
771   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: Pred: " << ICmpInst::getPredicateName(Pred)
772                     << "\n");
773   LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: LatchExitBrIdx: " << LatchBrExitIdx << "\n");
774
775   bool IsSigned = ICmpInst::isSigned(Pred);
776   // The predicate that we need to check that the induction variable lies
777   // within bounds.
778   ICmpInst::Predicate BoundPred =
779       IsSigned ? CmpInst::ICMP_SLT : CmpInst::ICMP_ULT;
780
781   if (LatchBrExitIdx == 1)
782     return SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start, BoundSCEV);
783
784   assert(LatchBrExitIdx == 0 && "LatchBrExitIdx should be 0 or 1");
785
786   const SCEV *StepMinusOne =
787     SE.getMinusSCEV(Step, SE.getOne(Step->getType()));
788   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(BoundSCEV->getType())->getBitWidth();
789   APInt Max = IsSigned ? APInt::getSignedMaxValue(BitWidth) :
790     APInt::getMaxValue(BitWidth);
791   const SCEV *Limit = SE.getMinusSCEV(SE.getConstant(Max), StepMinusOne);
792
793   return (SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, Start,
794                                       SE.getAddExpr(BoundSCEV, Step)) &&
795           SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, BoundPred, BoundSCEV, Limit));
796 }
797
798 static bool CannotBeMinInLoop(const SCEV *BoundSCEV, Loop *L,
799                               ScalarEvolution &SE, bool Signed) {
800   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(BoundSCEV->getType())->getBitWidth();
801   APInt Min = Signed ? APInt::getSignedMinValue(BitWidth) :
802     APInt::getMinValue(BitWidth);
803   auto Predicate = Signed ? ICmpInst::ICMP_SGT : ICmpInst::ICMP_UGT;
804   return SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L) &&
805          SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, Predicate, BoundSCEV,
806                                      SE.getConstant(Min));
807 }
808
809 static bool isKnownNonNegativeInLoop(const SCEV *BoundSCEV, const Loop *L,
810                                      ScalarEvolution &SE) {
811   const SCEV *Zero = SE.getZero(BoundSCEV->getType());
812   return SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L) &&
813          SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SGE, BoundSCEV, Zero);
814 }
815
816 static bool isKnownNegativeInLoop(const SCEV *BoundSCEV, const Loop *L,
817                                   ScalarEvolution &SE) {
818   const SCEV *Zero = SE.getZero(BoundSCEV->getType());
819   return SE.isAvailableAtLoopEntry(BoundSCEV, L) &&
820          SE.isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_SLT, BoundSCEV, Zero);
821 }
822
823 Optional<LoopStructure>
824 LoopStructure::parseLoopStructure(ScalarEvolution &SE,
825                                   BranchProbabilityInfo *BPI, Loop &L,
826                                   const char *&FailureReason) {
827   if (!L.isLoopSimplifyForm()) {
828     FailureReason = "loop not in LoopSimplify form";
829     return None;
830   }
831
832   BasicBlock *Latch = L.getLoopLatch();
833   assert(Latch && "Simplified loops only have one latch!");
834
835   if (Latch->getTerminator()->getMetadata(ClonedLoopTag)) {
836     FailureReason = "loop has already been cloned";
837     return None;
838   }
839
840   if (!L.isLoopExiting(Latch)) {
841     FailureReason = "no loop latch";
842     return None;
843   }
844
845   BasicBlock *Header = L.getHeader();
846   BasicBlock *Preheader = L.getLoopPreheader();
847   if (!Preheader) {
848     FailureReason = "no preheader";
849     return None;
850   }
851
852   BranchInst *LatchBr = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
853   if (!LatchBr || LatchBr->isUnconditional()) {
854     FailureReason = "latch terminator not conditional branch";
855     return None;
856   }
857
858   unsigned LatchBrExitIdx = LatchBr->getSuccessor(0) == Header ? 1 : 0;
859
860   BranchProbability ExitProbability =
861       BPI ? BPI->getEdgeProbability(LatchBr->getParent(), LatchBrExitIdx)
862           : BranchProbability::getZero();
863
864   if (!SkipProfitabilityChecks &&
865       ExitProbability > BranchProbability(1, MaxExitProbReciprocal)) {
866     FailureReason = "short running loop, not profitable";
867     return None;
868   }
869
870   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LatchBr->getCondition());
871   if (!ICI || !isa<IntegerType>(ICI->getOperand(0)->getType())) {
872     FailureReason = "latch terminator branch not conditional on integral icmp";
873     return None;
874   }
875
876   const SCEV *LatchCount = SE.getExitCount(&L, Latch);
877   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchCount)) {
878     FailureReason = "could not compute latch count";
879     return None;
880   }
881
882   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
883   Value *LeftValue = ICI->getOperand(0);
884   const SCEV *LeftSCEV = SE.getSCEV(LeftValue);
885   IntegerType *IndVarTy = cast<IntegerType>(LeftValue->getType());
886
887   Value *RightValue = ICI->getOperand(1);
888   const SCEV *RightSCEV = SE.getSCEV(RightValue);
889
890   // We canonicalize `ICI` such that `LeftSCEV` is an add recurrence.
891   if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV)) {
892     if (isa<SCEVAddRecExpr>(RightSCEV)) {
893       std::swap(LeftSCEV, RightSCEV);
894       std::swap(LeftValue, RightValue);
895       Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
896     } else {
897       FailureReason = "no add recurrences in the icmp";
898       return None;
899     }
900   }
901
902   auto HasNoSignedWrap = [&](const SCEVAddRecExpr *AR) {
903     if (AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW))
904       return true;
905
906     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(AR->getType());
907     IntegerType *WideTy =
908         IntegerType::get(Ty->getContext(), Ty->getBitWidth() * 2);
909
910     const SCEVAddRecExpr *ExtendAfterOp =
911         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
912     if (ExtendAfterOp) {
913       const SCEV *ExtendedStart = SE.getSignExtendExpr(AR->getStart(), WideTy);
914       const SCEV *ExtendedStep =
915           SE.getSignExtendExpr(AR->getStepRecurrence(SE), WideTy);
916
917       bool NoSignedWrap = ExtendAfterOp->getStart() == ExtendedStart &&
918                           ExtendAfterOp->getStepRecurrence(SE) == ExtendedStep;
919
920       if (NoSignedWrap)
921         return true;
922     }
923
924     // We may have proved this when computing the sign extension above.
925     return AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW) != SCEV::FlagAnyWrap;
926   };
927
928   // `ICI` is interpreted as taking the backedge if the *next* value of the
929   // induction variable satisfies some constraint.
930
931   const SCEVAddRecExpr *IndVarBase = cast<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV);
932   if (!IndVarBase->isAffine()) {
933     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
934     return None;
935   }
936   const SCEV* StepRec = IndVarBase->getStepRecurrence(SE);
937   if (!isa<SCEVConstant>(StepRec)) {
938     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
939     return None;
940   }
941   ConstantInt *StepCI = cast<SCEVConstant>(StepRec)->getValue();
942
943   if (ICI->isEquality() && !HasNoSignedWrap(IndVarBase)) {
944     FailureReason = "LHS in icmp needs nsw for equality predicates";
945     return None;
946   }
947
948   assert(!StepCI->isZero() && "Zero step?");
949   bool IsIncreasing = !StepCI->isNegative();
950   bool IsSignedPredicate = ICmpInst::isSigned(Pred);
951   const SCEV *StartNext = IndVarBase->getStart();
952   const SCEV *Addend = SE.getNegativeSCEV(IndVarBase->getStepRecurrence(SE));
953   const SCEV *IndVarStart = SE.getAddExpr(StartNext, Addend);
954   const SCEV *Step = SE.getSCEV(StepCI);
955
956   ConstantInt *One = ConstantInt::get(IndVarTy, 1);
957   if (IsIncreasing) {
958     bool DecreasedRightValueByOne = false;
959     if (StepCI->isOne()) {
960       // Try to turn eq/ne predicates to those we can work with.
961       if (Pred == ICmpInst::ICMP_NE && LatchBrExitIdx == 1)
962         // while (++i != len) {         while (++i < len) {
963         //   ...                 --->     ...
964         // }                            }
965         // If both parts are known non-negative, it is profitable to use
966         // unsigned comparison in increasing loop. This allows us to make the
967         // comparison check against "RightSCEV + 1" more optimistic.
968         if (isKnownNonNegativeInLoop(IndVarStart, &L, SE) &&
969             isKnownNonNegativeInLoop(RightSCEV, &L, SE))
970           Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
971         else
972           Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
973       else if (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && LatchBrExitIdx == 0) {
974         // while (true) {               while (true) {
975         //   if (++i == len)     --->     if (++i > len - 1)
976         //     break;                       break;
977         //   ...                          ...
978         // }                            }
979         if (IndVarBase->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNUW) &&
980             CannotBeMinInLoop(RightSCEV, &L, SE, /*Signed*/false)) {
981           Pred = ICmpInst::ICMP_UGT;
982           RightSCEV = SE.getMinusSCEV(RightSCEV,
983                                       SE.getOne(RightSCEV->getType()));
984           DecreasedRightValueByOne = true;
985         } else if (CannotBeMinInLoop(RightSCEV, &L, SE, /*Signed*/true)) {
986           Pred = ICmpInst::ICMP_SGT;
987           RightSCEV = SE.getMinusSCEV(RightSCEV,
988                                       SE.getOne(RightSCEV->getType()));
989           DecreasedRightValueByOne = true;
990         }
991       }
992     }
993
994     bool LTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_ULT);
995     bool GTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT || Pred == ICmpInst::ICMP_UGT);
996     bool FoundExpectedPred =
997         (LTPred && LatchBrExitIdx == 1) || (GTPred && LatchBrExitIdx == 0);
998
999     if (!FoundExpectedPred) {
1000       FailureReason = "expected icmp slt semantically, found something else";
1001       return None;
1002     }
1003
1004     IsSignedPredicate = ICmpInst::isSigned(Pred);
1005     if (!IsSignedPredicate && !AllowUnsignedLatchCondition) {
1006       FailureReason = "unsigned latch conditions are explicitly prohibited";
1007       return None;
1008     }
1009
1010     if (!isSafeIncreasingBound(IndVarStart, RightSCEV, Step, Pred,
1011                                LatchBrExitIdx, &L, SE)) {
1012       FailureReason = "Unsafe loop bounds";
1013       return None;
1014     }
1015     if (LatchBrExitIdx == 0) {
1016       // We need to increase the right value unless we have already decreased
1017       // it virtually when we replaced EQ with SGT.
1018       if (!DecreasedRightValueByOne) {
1019         IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
1020         RightValue = B.CreateAdd(RightValue, One);
1021       }
1022     } else {
1023       assert(!DecreasedRightValueByOne &&
1024              "Right value can be decreased only for LatchBrExitIdx == 0!");
1025     }
1026   } else {
1027     bool IncreasedRightValueByOne = false;
1028     if (StepCI->isMinusOne()) {
1029       // Try to turn eq/ne predicates to those we can work with.
1030       if (Pred == ICmpInst::ICMP_NE && LatchBrExitIdx == 1)
1031         // while (--i != len) {         while (--i > len) {
1032         //   ...                 --->     ...
1033         // }                            }
1034         // We intentionally don't turn the predicate into UGT even if we know
1035         // that both operands are non-negative, because it will only pessimize
1036         // our check against "RightSCEV - 1".
1037         Pred = ICmpInst::ICMP_SGT;
1038       else if (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && LatchBrExitIdx == 0) {
1039         // while (true) {               while (true) {
1040         //   if (--i == len)     --->     if (--i < len + 1)
1041         //     break;                       break;
1042         //   ...                          ...
1043         // }                            }
1044         if (IndVarBase->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNUW) &&
1045             CannotBeMaxInLoop(RightSCEV, &L, SE, /* Signed */ false)) {
1046           Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
1047           RightSCEV = SE.getAddExpr(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType()));
1048           IncreasedRightValueByOne = true;
1049         } else if (CannotBeMaxInLoop(RightSCEV, &L, SE, /* Signed */ true)) {
1050           Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
1051           RightSCEV = SE.getAddExpr(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType()));
1052           IncreasedRightValueByOne = true;
1053         }
1054       }
1055     }
1056
1057     bool LTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_ULT);
1058     bool GTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT || Pred == ICmpInst::ICMP_UGT);
1059
1060     bool FoundExpectedPred =
1061         (GTPred && LatchBrExitIdx == 1) || (LTPred && LatchBrExitIdx == 0);
1062
1063     if (!FoundExpectedPred) {
1064       FailureReason = "expected icmp sgt semantically, found something else";
1065       return None;
1066     }
1067
1068     IsSignedPredicate =
1069         Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_SGT;
1070
1071     if (!IsSignedPredicate && !AllowUnsignedLatchCondition) {
1072       FailureReason = "unsigned latch conditions are explicitly prohibited";
1073       return None;
1074     }
1075
1076     if (!isSafeDecreasingBound(IndVarStart, RightSCEV, Step, Pred,
1077                                LatchBrExitIdx, &L, SE)) {
1078       FailureReason = "Unsafe bounds";
1079       return None;
1080     }
1081
1082     if (LatchBrExitIdx == 0) {
1083       // We need to decrease the right value unless we have already increased
1084       // it virtually when we replaced EQ with SLT.
1085       if (!IncreasedRightValueByOne) {
1086         IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
1087         RightValue = B.CreateSub(RightValue, One);
1088       }
1089     } else {
1090       assert(!IncreasedRightValueByOne &&
1091              "Right value can be increased only for LatchBrExitIdx == 0!");
1092     }
1093   }
1094   BasicBlock *LatchExit = LatchBr->getSuccessor(LatchBrExitIdx);
1095
1096   assert(SE.getLoopDisposition(LatchCount, &L) ==
1097              ScalarEvolution::LoopInvariant &&
1098          "loop variant exit count doesn't make sense!");
1099
1100   assert(!L.contains(LatchExit) && "expected an exit block!");
1101   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
1102   Value *IndVarStartV =
1103       SCEVExpander(SE, DL, "irce")
1104           .expandCodeFor(IndVarStart, IndVarTy, Preheader->getTerminator());
1105   IndVarStartV->setName("indvar.start");
1106
1107   LoopStructure Result;
1108
1109   Result.Tag = "main";
1110   Result.Header = Header;
1111   Result.Latch = Latch;
1112   Result.LatchBr = LatchBr;
1113   Result.LatchExit = LatchExit;
1114   Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
1115   Result.IndVarStart = IndVarStartV;
1116   Result.IndVarStep = StepCI;
1117   Result.IndVarBase = LeftValue;
1118   Result.IndVarIncreasing = IsIncreasing;
1119   Result.LoopExitAt = RightValue;
1120   Result.IsSignedPredicate = IsSignedPredicate;
1121
1122   FailureReason = nullptr;
1123
1124   return Result;
1125 }
1126
1127 Optional<LoopConstrainer::SubRanges>
1128 LoopConstrainer::calculateSubRanges(bool IsSignedPredicate) const {
1129   IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(LatchTakenCount->getType());
1130
1131   if (Range.getType() != Ty)
1132     return None;
1133
1134   LoopConstrainer::SubRanges Result;
1135
1136   // I think we can be more aggressive here and make this nuw / nsw if the
1137   // addition that feeds into the icmp for the latch's terminating branch is nuw
1138   // / nsw.  In any case, a wrapping 2's complement addition is safe.
1139   const SCEV *Start = SE.getSCEV(MainLoopStructure.IndVarStart);
1140   const SCEV *End = SE.getSCEV(MainLoopStructure.LoopExitAt);
1141
1142   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1143
1144   // We compute `Smallest` and `Greatest` such that [Smallest, Greatest), or
1145   // [Smallest, GreatestSeen] is the range of values the induction variable
1146   // takes.
1147
1148   const SCEV *Smallest = nullptr, *Greatest = nullptr, *GreatestSeen = nullptr;
1149
1150   const SCEV *One = SE.getOne(Ty);
1151   if (Increasing) {
1152     Smallest = Start;
1153     Greatest = End;
1154     // No overflow, because the range [Smallest, GreatestSeen] is not empty.
1155     GreatestSeen = SE.getMinusSCEV(End, One);
1156   } else {
1157     // These two computations may sign-overflow.  Here is why that is okay:
1158     //
1159     // We know that the induction variable does not sign-overflow on any
1160     // iteration except the last one, and it starts at `Start` and ends at
1161     // `End`, decrementing by one every time.
1162     //
1163     //  * if `Smallest` sign-overflows we know `End` is `INT_SMAX`. Since the
1164     //    induction variable is decreasing we know that that the smallest value
1165     //    the loop body is actually executed with is `INT_SMIN` == `Smallest`.
1166     //
1167     //  * if `Greatest` sign-overflows, we know it can only be `INT_SMIN`.  In
1168     //    that case, `Clamp` will always return `Smallest` and
1169     //    [`Result.LowLimit`, `Result.HighLimit`) = [`Smallest`, `Smallest`)
1170     //    will be an empty range.  Returning an empty range is always safe.
1171
1172     Smallest = SE.getAddExpr(End, One);
1173     Greatest = SE.getAddExpr(Start, One);
1174     GreatestSeen = Start;
1175   }
1176
1177   auto Clamp = [this, Smallest, Greatest, IsSignedPredicate](const SCEV *S) {
1178     return IsSignedPredicate
1179                ? SE.getSMaxExpr(Smallest, SE.getSMinExpr(Greatest, S))
1180                : SE.getUMaxExpr(Smallest, SE.getUMinExpr(Greatest, S));
1181   };
1182
1183   // In some cases we can prove that we don't need a pre or post loop.
1184   ICmpInst::Predicate PredLE =
1185       IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SLE : ICmpInst::ICMP_ULE;
1186   ICmpInst::Predicate PredLT =
1187       IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT;
1188
1189   bool ProvablyNoPreloop =
1190       SE.isKnownPredicate(PredLE, Range.getBegin(), Smallest);
1191   if (!ProvablyNoPreloop)
1192     Result.LowLimit = Clamp(Range.getBegin());
1193
1194   bool ProvablyNoPostLoop =
1195       SE.isKnownPredicate(PredLT, GreatestSeen, Range.getEnd());
1196   if (!ProvablyNoPostLoop)
1197     Result.HighLimit = Clamp(Range.getEnd());
1198
1199   return Result;
1200 }
1201
1202 void LoopConstrainer::cloneLoop(LoopConstrainer::ClonedLoop &Result,
1203                                 const char *Tag) const {
1204   for (BasicBlock *BB : OriginalLoop.getBlocks()) {
1205     BasicBlock *Clone = CloneBasicBlock(BB, Result.Map, Twine(".") + Tag, &F);
1206     Result.Blocks.push_back(Clone);
1207     Result.Map[BB] = Clone;
1208   }
1209
1210   auto GetClonedValue = [&Result](Value *V) {
1211     assert(V && "null values not in domain!");
1212     auto It = Result.Map.find(V);
1213     if (It == Result.Map.end())
1214       return V;
1215     return static_cast<Value *>(It->second);
1216   };
1217
1218   auto *ClonedLatch =
1219       cast<BasicBlock>(GetClonedValue(OriginalLoop.getLoopLatch()));
1220   ClonedLatch->getTerminator()->setMetadata(ClonedLoopTag,
1221                                             MDNode::get(Ctx, {}));
1222
1223   Result.Structure = MainLoopStructure.map(GetClonedValue);
1224   Result.Structure.Tag = Tag;
1225
1226   for (unsigned i = 0, e = Result.Blocks.size(); i != e; ++i) {
1227     BasicBlock *ClonedBB = Result.Blocks[i];
1228     BasicBlock *OriginalBB = OriginalLoop.getBlocks()[i];
1229
1230     assert(Result.Map[OriginalBB] == ClonedBB && "invariant!");
1231
1232     for (Instruction &I : *ClonedBB)
1233       RemapInstruction(&I, Result.Map,
1234                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingLocals);
1235
1236     // Exit blocks will now have one more predecessor and their PHI nodes need
1237     // to be edited to reflect that.  No phi nodes need to be introduced because
1238     // the loop is in LCSSA.
1239
1240     for (auto *SBB : successors(OriginalBB)) {
1241       if (OriginalLoop.contains(SBB))
1242         continue; // not an exit block
1243
1244       for (PHINode &PN : SBB->phis()) {
1245         Value *OldIncoming = PN.getIncomingValueForBlock(OriginalBB);
1246         PN.addIncoming(GetClonedValue(OldIncoming), ClonedBB);
1247       }
1248     }
1249   }
1250 }
1251
1252 LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo LoopConstrainer::changeIterationSpaceEnd(
1253     const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader, Value *ExitSubloopAt,
1254     BasicBlock *ContinuationBlock) const {
1255   // We start with a loop with a single latch:
1256   //
1257   //    +--------------------+
1258   //    |                    |
1259   //    |     preheader      |
1260   //    |                    |
1261   //    +--------+-----------+
1262   //             |      ----------------\
1263   //             |     /                |
1264   //    +--------v----v------+          |
1265   //    |                    |          |
1266   //    |      header        |          |
1267   //    |                    |          |
1268   //    +--------------------+          |
1269   //                                    |
1270   //            .....                   |
1271   //                                    |
1272   //    +--------------------+          |
1273   //    |                    |          |
1274   //    |       latch        >----------/
1275   //    |                    |
1276   //    +-------v------------+
1277   //            |
1278   //            |
1279   //            |   +--------------------+
1280   //            |   |                    |
1281   //            +--->   original exit    |
1282   //                |                    |
1283   //                +--------------------+
1284   //
1285   // We change the control flow to look like
1286   //
1287   //
1288   //    +--------------------+
1289   //    |                    |
1290   //    |     preheader      >-------------------------+
1291   //    |                    |                         |
1292   //    +--------v-----------+                         |
1293   //             |    /-------------+                  |
1294   //             |   /              |                  |
1295   //    +--------v--v--------+      |                  |
1296   //    |                    |      |                  |
1297   //    |      header        |      |   +--------+     |
1298   //    |                    |      |   |        |     |
1299   //    +--------------------+      |   |  +-----v-----v-----------+
1300   //                                |   |  |                       |
1301   //                                |   |  |     .pseudo.exit      |
1302   //                                |   |  |                       |
1303   //                                |   |  +-----------v-----------+
1304   //                                |   |              |
1305   //            .....               |   |              |
1306   //                                |   |     +--------v-------------+
1307   //    +--------------------+      |   |     |                      |
1308   //    |                    |      |   |     |   ContinuationBlock  |
1309   //    |       latch        >------+   |     |                      |
1310   //    |                    |          |     +----------------------+
1311   //    +---------v----------+          |
1312   //              |                     |
1313   //              |                     |
1314   //              |     +---------------^-----+
1315   //              |     |                     |
1316   //              +----->    .exit.selector   |
1317   //                    |                     |
1318   //                    +----------v----------+
1319   //                               |
1320   //     +--------------------+    |
1321   //     |                    |    |
1322   //     |   original exit    <----+
1323   //     |                    |
1324   //     +--------------------+
1325
1326   RewrittenRangeInfo RRI;
1327
1328   BasicBlock *BBInsertLocation = LS.Latch->getNextNode();
1329   RRI.ExitSelector = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".exit.selector",
1330                                         &F, BBInsertLocation);
1331   RRI.PseudoExit = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".pseudo.exit", &F,
1332                                       BBInsertLocation);
1333
1334   BranchInst *PreheaderJump = cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
1335   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1336   bool IsSignedPredicate = LS.IsSignedPredicate;
1337
1338   IRBuilder<> B(PreheaderJump);
1339
1340   // EnterLoopCond - is it okay to start executing this `LS'?
1341   Value *EnterLoopCond = nullptr;
1342   if (Increasing)
1343     EnterLoopCond = IsSignedPredicate
1344                         ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt)
1345                         : B.CreateICmpULT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1346   else
1347     EnterLoopCond = IsSignedPredicate
1348                         ? B.CreateICmpSGT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt)
1349                         : B.CreateICmpUGT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1350
1351   B.CreateCondBr(EnterLoopCond, LS.Header, RRI.PseudoExit);
1352   PreheaderJump->eraseFromParent();
1353
1354   LS.LatchBr->setSuccessor(LS.LatchBrExitIdx, RRI.ExitSelector);
1355   B.SetInsertPoint(LS.LatchBr);
1356   Value *TakeBackedgeLoopCond = nullptr;
1357   if (Increasing)
1358     TakeBackedgeLoopCond = IsSignedPredicate
1359                         ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt)
1360                         : B.CreateICmpULT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt);
1361   else
1362     TakeBackedgeLoopCond = IsSignedPredicate
1363                         ? B.CreateICmpSGT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt)
1364                         : B.CreateICmpUGT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt);
1365   Value *CondForBranch = LS.LatchBrExitIdx == 1
1366                              ? TakeBackedgeLoopCond
1367                              : B.CreateNot(TakeBackedgeLoopCond);
1368
1369   LS.LatchBr->setCondition(CondForBranch);
1370
1371   B.SetInsertPoint(RRI.ExitSelector);
1372
1373   // IterationsLeft - are there any more iterations left, given the original
1374   // upper bound on the induction variable?  If not, we branch to the "real"
1375   // exit.
1376   Value *IterationsLeft = nullptr;
1377   if (Increasing)
1378     IterationsLeft = IsSignedPredicate
1379                          ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt)
1380                          : B.CreateICmpULT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt);
1381   else
1382     IterationsLeft = IsSignedPredicate
1383                          ? B.CreateICmpSGT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt)
1384                          : B.CreateICmpUGT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt);
1385   B.CreateCondBr(IterationsLeft, RRI.PseudoExit, LS.LatchExit);
1386
1387   BranchInst *BranchToContinuation =
1388       BranchInst::Create(ContinuationBlock, RRI.PseudoExit);
1389
1390   // We emit PHI nodes into `RRI.PseudoExit' that compute the "latest" value of
1391   // each of the PHI nodes in the loop header.  This feeds into the initial
1392   // value of the same PHI nodes if/when we continue execution.
1393   for (PHINode &PN : LS.Header->phis()) {
1394     PHINode *NewPHI = PHINode::Create(PN.getType(), 2, PN.getName() + ".copy",
1395                                       BranchToContinuation);
1396
1397     NewPHI->addIncoming(PN.getIncomingValueForBlock(Preheader), Preheader);
1398     NewPHI->addIncoming(PN.getIncomingValueForBlock(LS.Latch),
1399                         RRI.ExitSelector);
1400     RRI.PHIValuesAtPseudoExit.push_back(NewPHI);
1401   }
1402
1403   RRI.IndVarEnd = PHINode::Create(LS.IndVarBase->getType(), 2, "indvar.end",
1404                                   BranchToContinuation);
1405   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarStart, Preheader);
1406   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarBase, RRI.ExitSelector);
1407
1408   // The latch exit now has a branch from `RRI.ExitSelector' instead of
1409   // `LS.Latch'.  The PHI nodes need to be updated to reflect that.
1410   for (PHINode &PN : LS.LatchExit->phis())
1411     replacePHIBlock(&PN, LS.Latch, RRI.ExitSelector);
1412
1413   return RRI;
1414 }
1415
1416 void LoopConstrainer::rewriteIncomingValuesForPHIs(
1417     LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlock,
1418     const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const {
1419   unsigned PHIIndex = 0;
1420   for (PHINode &PN : LS.Header->phis())
1421     for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1422       if (PN.getIncomingBlock(i) == ContinuationBlock)
1423         PN.setIncomingValue(i, RRI.PHIValuesAtPseudoExit[PHIIndex++]);
1424
1425   LS.IndVarStart = RRI.IndVarEnd;
1426 }
1427
1428 BasicBlock *LoopConstrainer::createPreheader(const LoopStructure &LS,
1429                                              BasicBlock *OldPreheader,
1430                                              const char *Tag) const {
1431   BasicBlock *Preheader = BasicBlock::Create(Ctx, Tag, &F, LS.Header);
1432   BranchInst::Create(LS.Header, Preheader);
1433
1434   for (PHINode &PN : LS.Header->phis())
1435     for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1436       replacePHIBlock(&PN, OldPreheader, Preheader);
1437
1438   return Preheader;
1439 }
1440
1441 void LoopConstrainer::addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs) {
1442   Loop *ParentLoop = OriginalLoop.getParentLoop();
1443   if (!ParentLoop)
1444     return;
1445
1446   for (BasicBlock *BB : BBs)
1447     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(BB, LI);
1448 }
1449
1450 Loop *LoopConstrainer::createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
1451                                                  ValueToValueMapTy &VM,
1452                                                  bool IsSubloop) {
1453   Loop &New = *LI.AllocateLoop();
1454   if (Parent)
1455     Parent->addChildLoop(&New);
1456   else
1457     LI.addTopLevelLoop(&New);
1458   LPMAddNewLoop(&New, IsSubloop);
1459
1460   // Add all of the blocks in Original to the new loop.
1461   for (auto *BB : Original->blocks())
1462     if (LI.getLoopFor(BB) == Original)
1463       New.addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[BB]), LI);
1464
1465   // Add all of the subloops to the new loop.
1466   for (Loop *SubLoop : *Original)
1467     createClonedLoopStructure(SubLoop, &New, VM, /* IsSubloop */ true);
1468
1469   return &New;
1470 }
1471
1472 bool LoopConstrainer::run() {
1473   BasicBlock *Preheader = nullptr;
1474   LatchTakenCount = SE.getExitCount(&OriginalLoop, MainLoopStructure.Latch);
1475   Preheader = OriginalLoop.getLoopPreheader();
1476   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchTakenCount) && Preheader != nullptr &&
1477          "preconditions!");
1478
1479   OriginalPreheader = Preheader;
1480   MainLoopPreheader = Preheader;
1481
1482   bool IsSignedPredicate = MainLoopStructure.IsSignedPredicate;
1483   Optional<SubRanges> MaybeSR = calculateSubRanges(IsSignedPredicate);
1484   if (!MaybeSR.hasValue()) {
1485     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not compute subranges\n");
1486     return false;
1487   }
1488
1489   SubRanges SR = MaybeSR.getValue();
1490   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1491   IntegerType *IVTy =
1492       cast<IntegerType>(MainLoopStructure.IndVarBase->getType());
1493
1494   SCEVExpander Expander(SE, F.getParent()->getDataLayout(), "irce");
1495   Instruction *InsertPt = OriginalPreheader->getTerminator();
1496
1497   // It would have been better to make `PreLoop' and `PostLoop'
1498   // `Optional<ClonedLoop>'s, but `ValueToValueMapTy' does not have a copy
1499   // constructor.
1500   ClonedLoop PreLoop, PostLoop;
1501   bool NeedsPreLoop =
1502       Increasing ? SR.LowLimit.hasValue() : SR.HighLimit.hasValue();
1503   bool NeedsPostLoop =
1504       Increasing ? SR.HighLimit.hasValue() : SR.LowLimit.hasValue();
1505
1506   Value *ExitPreLoopAt = nullptr;
1507   Value *ExitMainLoopAt = nullptr;
1508   const SCEVConstant *MinusOneS =
1509       cast<SCEVConstant>(SE.getConstant(IVTy, -1, true /* isSigned */));
1510
1511   if (NeedsPreLoop) {
1512     const SCEV *ExitPreLoopAtSCEV = nullptr;
1513
1514     if (Increasing)
1515       ExitPreLoopAtSCEV = *SR.LowLimit;
1516     else {
1517       if (CannotBeMinInLoop(*SR.HighLimit, &OriginalLoop, SE,
1518                             IsSignedPredicate))
1519         ExitPreLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.HighLimit, MinusOneS);
1520       else {
1521         LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1522                           << "preloop exit limit.  HighLimit = "
1523                           << *(*SR.HighLimit) << "\n");
1524         return false;
1525       }
1526     }
1527
1528     if (!isSafeToExpandAt(ExitPreLoopAtSCEV, InsertPt, SE)) {
1529       LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove that it is safe to expand the"
1530                         << " preloop exit limit " << *ExitPreLoopAtSCEV
1531                         << " at block " << InsertPt->getParent()->getName()
1532                         << "\n");
1533       return false;
1534     }
1535
1536     ExitPreLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitPreLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1537     ExitPreLoopAt->setName("exit.preloop.at");
1538   }
1539
1540   if (NeedsPostLoop) {
1541     const SCEV *ExitMainLoopAtSCEV = nullptr;
1542
1543     if (Increasing)
1544       ExitMainLoopAtSCEV = *SR.HighLimit;
1545     else {
1546       if (CannotBeMinInLoop(*SR.LowLimit, &OriginalLoop, SE,
1547                             IsSignedPredicate))
1548         ExitMainLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.LowLimit, MinusOneS);
1549       else {
1550         LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1551                           << "mainloop exit limit.  LowLimit = "
1552                           << *(*SR.LowLimit) << "\n");
1553         return false;
1554       }
1555     }
1556
1557     if (!isSafeToExpandAt(ExitMainLoopAtSCEV, InsertPt, SE)) {
1558       LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove that it is safe to expand the"
1559                         << " main loop exit limit " << *ExitMainLoopAtSCEV
1560                         << " at block " << InsertPt->getParent()->getName()
1561                         << "\n");
1562       return false;
1563     }
1564
1565     ExitMainLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitMainLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1566     ExitMainLoopAt->setName("exit.mainloop.at");
1567   }
1568
1569   // We clone these ahead of time so that we don't have to deal with changing
1570   // and temporarily invalid IR as we transform the loops.
1571   if (NeedsPreLoop)
1572     cloneLoop(PreLoop, "preloop");
1573   if (NeedsPostLoop)
1574     cloneLoop(PostLoop, "postloop");
1575
1576   RewrittenRangeInfo PreLoopRRI;
1577
1578   if (NeedsPreLoop) {
1579     Preheader->getTerminator()->replaceUsesOfWith(MainLoopStructure.Header,
1580                                                   PreLoop.Structure.Header);
1581
1582     MainLoopPreheader =
1583         createPreheader(MainLoopStructure, Preheader, "mainloop");
1584     PreLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(PreLoop.Structure, Preheader,
1585                                          ExitPreLoopAt, MainLoopPreheader);
1586     rewriteIncomingValuesForPHIs(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1587                                  PreLoopRRI);
1588   }
1589
1590   BasicBlock *PostLoopPreheader = nullptr;
1591   RewrittenRangeInfo PostLoopRRI;
1592
1593   if (NeedsPostLoop) {
1594     PostLoopPreheader =
1595         createPreheader(PostLoop.Structure, Preheader, "postloop");
1596     PostLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1597                                           ExitMainLoopAt, PostLoopPreheader);
1598     rewriteIncomingValuesForPHIs(PostLoop.Structure, PostLoopPreheader,
1599                                  PostLoopRRI);
1600   }
1601
1602   BasicBlock *NewMainLoopPreheader =
1603       MainLoopPreheader != Preheader ? MainLoopPreheader : nullptr;
1604   BasicBlock *NewBlocks[] = {PostLoopPreheader,        PreLoopRRI.PseudoExit,
1605                              PreLoopRRI.ExitSelector,  PostLoopRRI.PseudoExit,
1606                              PostLoopRRI.ExitSelector, NewMainLoopPreheader};
1607
1608   // Some of the above may be nullptr, filter them out before passing to
1609   // addToParentLoopIfNeeded.
1610   auto NewBlocksEnd =
1611       std::remove(std::begin(NewBlocks), std::end(NewBlocks), nullptr);
1612
1613   addToParentLoopIfNeeded(makeArrayRef(std::begin(NewBlocks), NewBlocksEnd));
1614
1615   DT.recalculate(F);
1616
1617   // We need to first add all the pre and post loop blocks into the loop
1618   // structures (as part of createClonedLoopStructure), and then update the
1619   // LCSSA form and LoopSimplifyForm. This is necessary for correctly updating
1620   // LI when LoopSimplifyForm is generated.
1621   Loop *PreL = nullptr, *PostL = nullptr;
1622   if (!PreLoop.Blocks.empty()) {
1623     PreL = createClonedLoopStructure(&OriginalLoop,
1624                                      OriginalLoop.getParentLoop(), PreLoop.Map,
1625                                      /* IsSubLoop */ false);
1626   }
1627
1628   if (!PostLoop.Blocks.empty()) {
1629     PostL =
1630         createClonedLoopStructure(&OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(),
1631                                   PostLoop.Map, /* IsSubLoop */ false);
1632   }
1633
1634   // This function canonicalizes the loop into Loop-Simplify and LCSSA forms.
1635   auto CanonicalizeLoop = [&] (Loop *L, bool IsOriginalLoop) {
1636     formLCSSARecursively(*L, DT, &LI, &SE);
1637     simplifyLoop(L, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1638     // Pre/post loops are slow paths, we do not need to perform any loop
1639     // optimizations on them.
1640     if (!IsOriginalLoop)
1641       DisableAllLoopOptsOnLoop(*L);
1642   };
1643   if (PreL)
1644     CanonicalizeLoop(PreL, false);
1645   if (PostL)
1646     CanonicalizeLoop(PostL, false);
1647   CanonicalizeLoop(&OriginalLoop, true);
1648
1649   return true;
1650 }
1651
1652 /// Computes and returns a range of values for the induction variable (IndVar)
1653 /// in which the range check can be safely elided.  If it cannot compute such a
1654 /// range, returns None.
1655 Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1656 InductiveRangeCheck::computeSafeIterationSpace(
1657     ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *IndVar,
1658     bool IsLatchSigned) const {
1659   // IndVar is of the form "A + B * I" (where "I" is the canonical induction
1660   // variable, that may or may not exist as a real llvm::Value in the loop) and
1661   // this inductive range check is a range check on the "C + D * I" ("C" is
1662   // getBegin() and "D" is getStep()).  We rewrite the value being range
1663   // checked to "M + N * IndVar" where "N" = "D * B^(-1)" and "M" = "C - NA".
1664   //
1665   // The actual inequalities we solve are of the form
1666   //
1667   //   0 <= M + 1 * IndVar < L given L >= 0  (i.e. N == 1)
1668   //
1669   // Here L stands for upper limit of the safe iteration space.
1670   // The inequality is satisfied by (0 - M) <= IndVar < (L - M). To avoid
1671   // overflows when calculating (0 - M) and (L - M) we, depending on type of
1672   // IV's iteration space, limit the calculations by borders of the iteration
1673   // space. For example, if IndVar is unsigned, (0 - M) overflows for any M > 0.
1674   // If we figured out that "anything greater than (-M) is safe", we strengthen
1675   // this to "everything greater than 0 is safe", assuming that values between
1676   // -M and 0 just do not exist in unsigned iteration space, and we don't want
1677   // to deal with overflown values.
1678
1679   if (!IndVar->isAffine())
1680     return None;
1681
1682   const SCEV *A = IndVar->getStart();
1683   const SCEVConstant *B = dyn_cast<SCEVConstant>(IndVar->getStepRecurrence(SE));
1684   if (!B)
1685     return None;
1686   assert(!B->isZero() && "Recurrence with zero step?");
1687
1688   const SCEV *C = getBegin();
1689   const SCEVConstant *D = dyn_cast<SCEVConstant>(getStep());
1690   if (D != B)
1691     return None;
1692
1693   assert(!D->getValue()->isZero() && "Recurrence with zero step?");
1694   unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndVar->getType())->getBitWidth();
1695   const SCEV *SIntMax = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
1696
1697   // Subtract Y from X so that it does not go through border of the IV
1698   // iteration space. Mathematically, it is equivalent to:
1699   //
1700   //    ClampedSubtract(X, Y) = min(max(X - Y, INT_MIN), INT_MAX).        [1]
1701   //
1702   // In [1], 'X - Y' is a mathematical subtraction (result is not bounded to
1703   // any width of bit grid). But after we take min/max, the result is
1704   // guaranteed to be within [INT_MIN, INT_MAX].
1705   //
1706   // In [1], INT_MAX and INT_MIN are respectively signed and unsigned max/min
1707   // values, depending on type of latch condition that defines IV iteration
1708   // space.
1709   auto ClampedSubtract = [&](const SCEV *X, const SCEV *Y) {
1710     // FIXME: The current implementation assumes that X is in [0, SINT_MAX].
1711     // This is required to ensure that SINT_MAX - X does not overflow signed and
1712     // that X - Y does not overflow unsigned if Y is negative. Can we lift this
1713     // restriction and make it work for negative X either?
1714     if (IsLatchSigned) {
1715       // X is a number from signed range, Y is interpreted as signed.
1716       // Even if Y is SINT_MAX, (X - Y) does not reach SINT_MIN. So the only
1717       // thing we should care about is that we didn't cross SINT_MAX.
1718       // So, if Y is positive, we subtract Y safely.
1719       //   Rule 1: Y > 0 ---> Y.
1720       // If 0 <= -Y <= (SINT_MAX - X), we subtract Y safely.
1721       //   Rule 2: Y >=s (X - SINT_MAX) ---> Y.
1722       // If 0 <= (SINT_MAX - X) < -Y, we can only subtract (X - SINT_MAX).
1723       //   Rule 3: Y <s (X - SINT_MAX) ---> (X - SINT_MAX).
1724       // It gives us smax(Y, X - SINT_MAX) to subtract in all cases.
1725       const SCEV *XMinusSIntMax = SE.getMinusSCEV(X, SIntMax);
1726       return SE.getMinusSCEV(X, SE.getSMaxExpr(Y, XMinusSIntMax),
1727                              SCEV::FlagNSW);
1728     } else
1729       // X is a number from unsigned range, Y is interpreted as signed.
1730       // Even if Y is SINT_MIN, (X - Y) does not reach UINT_MAX. So the only
1731       // thing we should care about is that we didn't cross zero.
1732       // So, if Y is negative, we subtract Y safely.
1733       //   Rule 1: Y <s 0 ---> Y.
1734       // If 0 <= Y <= X, we subtract Y safely.
1735       //   Rule 2: Y <=s X ---> Y.
1736       // If 0 <= X < Y, we should stop at 0 and can only subtract X.
1737       //   Rule 3: Y >s X ---> X.
1738       // It gives us smin(X, Y) to subtract in all cases.
1739       return SE.getMinusSCEV(X, SE.getSMinExpr(X, Y), SCEV::FlagNUW);
1740   };
1741   const SCEV *M = SE.getMinusSCEV(C, A);
1742   const SCEV *Zero = SE.getZero(M->getType());
1743
1744   // This function returns SCEV equal to 1 if X is non-negative 0 otherwise.
1745   auto SCEVCheckNonNegative = [&](const SCEV *X) {
1746     const Loop *L = IndVar->getLoop();
1747     const SCEV *One = SE.getOne(X->getType());
1748     // Can we trivially prove that X is a non-negative or negative value?
1749     if (isKnownNonNegativeInLoop(X, L, SE))
1750       return One;
1751     else if (isKnownNegativeInLoop(X, L, SE))
1752       return Zero;
1753     // If not, we will have to figure it out during the execution.
1754     // Function smax(smin(X, 0), -1) + 1 equals to 1 if X >= 0 and 0 if X < 0.
1755     const SCEV *NegOne = SE.getNegativeSCEV(One);
1756     return SE.getAddExpr(SE.getSMaxExpr(SE.getSMinExpr(X, Zero), NegOne), One);
1757   };
1758   // FIXME: Current implementation of ClampedSubtract implicitly assumes that
1759   // X is non-negative (in sense of a signed value). We need to re-implement
1760   // this function in a way that it will correctly handle negative X as well.
1761   // We use it twice: for X = 0 everything is fine, but for X = getEnd() we can
1762   // end up with a negative X and produce wrong results. So currently we ensure
1763   // that if getEnd() is negative then both ends of the safe range are zero.
1764   // Note that this may pessimize elimination of unsigned range checks against
1765   // negative values.
1766   const SCEV *REnd = getEnd();
1767   const SCEV *EndIsNonNegative = SCEVCheckNonNegative(REnd);
1768
1769   const SCEV *Begin = SE.getMulExpr(ClampedSubtract(Zero, M), EndIsNonNegative);
1770   const SCEV *End = SE.getMulExpr(ClampedSubtract(REnd, M), EndIsNonNegative);
1771   return InductiveRangeCheck::Range(Begin, End);
1772 }
1773
1774 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1775 IntersectSignedRange(ScalarEvolution &SE,
1776                      const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1777                      const InductiveRangeCheck::Range &R2) {
1778   if (R2.isEmpty(SE, /* IsSigned */ true))
1779     return None;
1780   if (!R1.hasValue())
1781     return R2;
1782   auto &R1Value = R1.getValue();
1783   // We never return empty ranges from this function, and R1 is supposed to be
1784   // a result of intersection. Thus, R1 is never empty.
1785   assert(!R1Value.isEmpty(SE, /* IsSigned */ true) &&
1786          "We should never have empty R1!");
1787
1788   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1789   // bail out to keep things simple.
1790   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1791     return None;
1792
1793   const SCEV *NewBegin = SE.getSMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1794   const SCEV *NewEnd = SE.getSMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1795
1796   // If the resulting range is empty, just return None.
1797   auto Ret = InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1798   if (Ret.isEmpty(SE, /* IsSigned */ true))
1799     return None;
1800   return Ret;
1801 }
1802
1803 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1804 IntersectUnsignedRange(ScalarEvolution &SE,
1805                        const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1806                        const InductiveRangeCheck::Range &R2) {
1807   if (R2.isEmpty(SE, /* IsSigned */ false))
1808     return None;
1809   if (!R1.hasValue())
1810     return R2;
1811   auto &R1Value = R1.getValue();
1812   // We never return empty ranges from this function, and R1 is supposed to be
1813   // a result of intersection. Thus, R1 is never empty.
1814   assert(!R1Value.isEmpty(SE, /* IsSigned */ false) &&
1815          "We should never have empty R1!");
1816
1817   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1818   // bail out to keep things simple.
1819   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1820     return None;
1821
1822   const SCEV *NewBegin = SE.getUMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1823   const SCEV *NewEnd = SE.getUMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1824
1825   // If the resulting range is empty, just return None.
1826   auto Ret = InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1827   if (Ret.isEmpty(SE, /* IsSigned */ false))
1828     return None;
1829   return Ret;
1830 }
1831
1832 PreservedAnalyses IRCEPass::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM,
1833                                 LoopStandardAnalysisResults &AR,
1834                                 LPMUpdater &U) {
1835   Function *F = L.getHeader()->getParent();
1836   const auto &FAM =
1837       AM.getResult<FunctionAnalysisManagerLoopProxy>(L, AR).getManager();
1838   auto *BPI = FAM.getCachedResult<BranchProbabilityAnalysis>(*F);
1839   InductiveRangeCheckElimination IRCE(AR.SE, BPI, AR.DT, AR.LI);
1840   auto LPMAddNewLoop = [&U](Loop *NL, bool IsSubloop) {
1841     if (!IsSubloop)
1842       U.addSiblingLoops(NL);
1843   };
1844   bool Changed = IRCE.run(&L, LPMAddNewLoop);
1845   if (!Changed)
1846     return PreservedAnalyses::all();
1847
1848   return getLoopPassPreservedAnalyses();
1849 }
1850
1851 bool IRCELegacyPass::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1852   if (skipLoop(L))
1853     return false;
1854
1855   ScalarEvolution &SE = getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1856   BranchProbabilityInfo &BPI =
1857       getAnalysis<BranchProbabilityInfoWrapperPass>().getBPI();
1858   auto &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1859   auto &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1860   InductiveRangeCheckElimination IRCE(SE, &BPI, DT, LI);
1861   auto LPMAddNewLoop = [&LPM](Loop *NL, bool /* IsSubLoop */) {
1862     LPM.addLoop(*NL);
1863   };
1864   return IRCE.run(L, LPMAddNewLoop);
1865 }
1866
1867 bool InductiveRangeCheckElimination::run(
1868     Loop *L, function_ref<void(Loop *, bool)> LPMAddNewLoop) {
1869   if (L->getBlocks().size() >= LoopSizeCutoff) {
1870     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: giving up constraining loop, too large\n");
1871     return false;
1872   }
1873
1874   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1875   if (!Preheader) {
1876     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: loop has no preheader, leaving\n");
1877     return false;
1878   }
1879
1880   LLVMContext &Context = Preheader->getContext();
1881   SmallVector<InductiveRangeCheck, 16> RangeChecks;
1882
1883   for (auto BBI : L->getBlocks())
1884     if (BranchInst *TBI = dyn_cast<BranchInst>(BBI->getTerminator()))
1885       InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(TBI, L, SE, BPI,
1886                                                         RangeChecks);
1887
1888   if (RangeChecks.empty())
1889     return false;
1890
1891   auto PrintRecognizedRangeChecks = [&](raw_ostream &OS) {
1892     OS << "irce: looking at loop "; L->print(OS);
1893     OS << "irce: loop has " << RangeChecks.size()
1894        << " inductive range checks: \n";
1895     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks)
1896       IRC.print(OS);
1897   };
1898
1899   LLVM_DEBUG(PrintRecognizedRangeChecks(dbgs()));
1900
1901   if (PrintRangeChecks)
1902     PrintRecognizedRangeChecks(errs());
1903
1904   const char *FailureReason = nullptr;
1905   Optional<LoopStructure> MaybeLoopStructure =
1906       LoopStructure::parseLoopStructure(SE, BPI, *L, FailureReason);
1907   if (!MaybeLoopStructure.hasValue()) {
1908     LLVM_DEBUG(dbgs() << "irce: could not parse loop structure: "
1909                       << FailureReason << "\n";);
1910     return false;
1911   }
1912   LoopStructure LS = MaybeLoopStructure.getValue();
1913   const SCEVAddRecExpr *IndVar =
1914       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getMinusSCEV(SE.getSCEV(LS.IndVarBase), SE.getSCEV(LS.IndVarStep)));
1915
1916   Optional<InductiveRangeCheck::Range> SafeIterRange;
1917   Instruction *ExprInsertPt = Preheader->getTerminator();
1918
1919   SmallVector<InductiveRangeCheck, 4> RangeChecksToEliminate;
1920   // Basing on the type of latch predicate, we interpret the IV iteration range
1921   // as signed or unsigned range. We use different min/max functions (signed or
1922   // unsigned) when intersecting this range with safe iteration ranges implied
1923   // by range checks.
1924   auto IntersectRange =
1925       LS.IsSignedPredicate ? IntersectSignedRange : IntersectUnsignedRange;
1926
1927   IRBuilder<> B(ExprInsertPt);
1928   for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks) {
1929     auto Result = IRC.computeSafeIterationSpace(SE, IndVar,
1930                                                 LS.IsSignedPredicate);
1931     if (Result.hasValue()) {
1932       auto MaybeSafeIterRange =
1933           IntersectRange(SE, SafeIterRange, Result.getValue());
1934       if (MaybeSafeIterRange.hasValue()) {
1935         assert(
1936             !MaybeSafeIterRange.getValue().isEmpty(SE, LS.IsSignedPredicate) &&
1937             "We should never return empty ranges!");
1938         RangeChecksToEliminate.push_back(IRC);
1939         SafeIterRange = MaybeSafeIterRange.getValue();
1940       }
1941     }
1942   }
1943
1944   if (!SafeIterRange.hasValue())
1945     return false;
1946
1947   LoopConstrainer LC(*L, LI, LPMAddNewLoop, LS, SE, DT,
1948                      SafeIterRange.getValue());
1949   bool Changed = LC.run();
1950
1951   if (Changed) {
1952     auto PrintConstrainedLoopInfo = [L]() {
1953       dbgs() << "irce: in function ";
1954       dbgs() << L->getHeader()->getParent()->getName() << ": ";
1955       dbgs() << "constrained ";
1956       L->print(dbgs());
1957     };
1958
1959     LLVM_DEBUG(PrintConstrainedLoopInfo());
1960
1961     if (PrintChangedLoops)
1962       PrintConstrainedLoopInfo();
1963
1964     // Optimize away the now-redundant range checks.
1965
1966     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecksToEliminate) {
1967       ConstantInt *FoldedRangeCheck = IRC.getPassingDirection()
1968                                           ? ConstantInt::getTrue(Context)
1969                                           : ConstantInt::getFalse(Context);
1970       IRC.getCheckUse()->set(FoldedRangeCheck);
1971     }
1972   }
1973
1974   return Changed;
1975 }
1976
1977 Pass *llvm::createInductiveRangeCheckEliminationPass() {
1978   return new IRCELegacyPass();
1979 }