]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/InductiveRangeCheckElimination.cpp
Merge llvm, clang, lld, lldb, compiler-rt and libc++ r304149, and update
[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 // The InductiveRangeCheckElimination pass splits a loop's iteration space into
10 // three disjoint ranges.  It does that in a way such that the loop running in
11 // the middle loop provably does not need range checks. As an example, it will
12 // convert
13 //
14 //   len = < known positive >
15 //   for (i = 0; i < n; i++) {
16 //     if (0 <= i && i < len) {
17 //       do_something();
18 //     } else {
19 //       throw_out_of_bounds();
20 //     }
21 //   }
22 //
23 // to
24 //
25 //   len = < known positive >
26 //   limit = smin(n, len)
27 //   // no first segment
28 //   for (i = 0; i < limit; i++) {
29 //     if (0 <= i && i < len) { // this check is fully redundant
30 //       do_something();
31 //     } else {
32 //       throw_out_of_bounds();
33 //     }
34 //   }
35 //   for (i = limit; i < n; i++) {
36 //     if (0 <= i && i < len) {
37 //       do_something();
38 //     } else {
39 //       throw_out_of_bounds();
40 //     }
41 //   }
42 //===----------------------------------------------------------------------===//
43
44 #include "llvm/ADT/Optional.h"
45 #include "llvm/Analysis/BranchProbabilityInfo.h"
46 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
47 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
48 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
49 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
50 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
51 #include "llvm/IR/Dominators.h"
52 #include "llvm/IR/Function.h"
53 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
54 #include "llvm/IR/Instructions.h"
55 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
56 #include "llvm/Pass.h"
57 #include "llvm/Support/Debug.h"
58 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
59 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
61 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
62 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
63 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopSimplify.h"
64
65 using namespace llvm;
66
67 static cl::opt<unsigned> LoopSizeCutoff("irce-loop-size-cutoff", cl::Hidden,
68                                         cl::init(64));
69
70 static cl::opt<bool> PrintChangedLoops("irce-print-changed-loops", cl::Hidden,
71                                        cl::init(false));
72
73 static cl::opt<bool> PrintRangeChecks("irce-print-range-checks", cl::Hidden,
74                                       cl::init(false));
75
76 static cl::opt<int> MaxExitProbReciprocal("irce-max-exit-prob-reciprocal",
77                                           cl::Hidden, cl::init(10));
78
79 static cl::opt<bool> SkipProfitabilityChecks("irce-skip-profitability-checks",
80                                              cl::Hidden, cl::init(false));
81
82 static const char *ClonedLoopTag = "irce.loop.clone";
83
84 #define DEBUG_TYPE "irce"
85
86 namespace {
87
88 /// An inductive range check is conditional branch in a loop with
89 ///
90 ///  1. a very cold successor (i.e. the branch jumps to that successor very
91 ///     rarely)
92 ///
93 ///  and
94 ///
95 ///  2. a condition that is provably true for some contiguous range of values
96 ///     taken by the containing loop's induction variable.
97 ///
98 class InductiveRangeCheck {
99   // Classifies a range check
100   enum RangeCheckKind : unsigned {
101     // Range check of the form "0 <= I".
102     RANGE_CHECK_LOWER = 1,
103
104     // Range check of the form "I < L" where L is known positive.
105     RANGE_CHECK_UPPER = 2,
106
107     // The logical and of the RANGE_CHECK_LOWER and RANGE_CHECK_UPPER
108     // conditions.
109     RANGE_CHECK_BOTH = RANGE_CHECK_LOWER | RANGE_CHECK_UPPER,
110
111     // Unrecognized range check condition.
112     RANGE_CHECK_UNKNOWN = (unsigned)-1
113   };
114
115   static StringRef rangeCheckKindToStr(RangeCheckKind);
116
117   const SCEV *Offset = nullptr;
118   const SCEV *Scale = nullptr;
119   Value *Length = nullptr;
120   Use *CheckUse = nullptr;
121   RangeCheckKind Kind = RANGE_CHECK_UNKNOWN;
122
123   static RangeCheckKind parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
124                                             ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
125                                             Value *&Length);
126
127   static void
128   extractRangeChecksFromCond(Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
129                              SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
130                              SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited);
131
132 public:
133   const SCEV *getOffset() const { return Offset; }
134   const SCEV *getScale() const { return Scale; }
135   Value *getLength() const { return Length; }
136
137   void print(raw_ostream &OS) const {
138     OS << "InductiveRangeCheck:\n";
139     OS << "  Kind: " << rangeCheckKindToStr(Kind) << "\n";
140     OS << "  Offset: ";
141     Offset->print(OS);
142     OS << "  Scale: ";
143     Scale->print(OS);
144     OS << "  Length: ";
145     if (Length)
146       Length->print(OS);
147     else
148       OS << "(null)";
149     OS << "\n  CheckUse: ";
150     getCheckUse()->getUser()->print(OS);
151     OS << " Operand: " << getCheckUse()->getOperandNo() << "\n";
152   }
153
154   LLVM_DUMP_METHOD
155   void dump() {
156     print(dbgs());
157   }
158
159   Use *getCheckUse() const { return CheckUse; }
160
161   /// Represents an signed integer range [Range.getBegin(), Range.getEnd()).  If
162   /// R.getEnd() sle R.getBegin(), then R denotes the empty range.
163
164   class Range {
165     const SCEV *Begin;
166     const SCEV *End;
167
168   public:
169     Range(const SCEV *Begin, const SCEV *End) : Begin(Begin), End(End) {
170       assert(Begin->getType() == End->getType() && "ill-typed range!");
171     }
172
173     Type *getType() const { return Begin->getType(); }
174     const SCEV *getBegin() const { return Begin; }
175     const SCEV *getEnd() const { return End; }
176   };
177
178   /// This is the value the condition of the branch needs to evaluate to for the
179   /// branch to take the hot successor (see (1) above).
180   bool getPassingDirection() { return true; }
181
182   /// Computes a range for the induction variable (IndVar) in which the range
183   /// check is redundant and can be constant-folded away.  The induction
184   /// variable is not required to be the canonical {0,+,1} induction variable.
185   Optional<Range> computeSafeIterationSpace(ScalarEvolution &SE,
186                                             const SCEVAddRecExpr *IndVar) const;
187
188   /// Parse out a set of inductive range checks from \p BI and append them to \p
189   /// Checks.
190   ///
191   /// NB! There may be conditions feeding into \p BI that aren't inductive range
192   /// checks, and hence don't end up in \p Checks.
193   static void
194   extractRangeChecksFromBranch(BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE,
195                                BranchProbabilityInfo &BPI,
196                                SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks);
197 };
198
199 class InductiveRangeCheckElimination : public LoopPass {
200 public:
201   static char ID;
202   InductiveRangeCheckElimination() : LoopPass(ID) {
203     initializeInductiveRangeCheckEliminationPass(
204         *PassRegistry::getPassRegistry());
205   }
206
207   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
208     AU.addRequired<BranchProbabilityInfoWrapperPass>();
209     getLoopAnalysisUsage(AU);
210   }
211
212   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
213 };
214
215 char InductiveRangeCheckElimination::ID = 0;
216 }
217
218 INITIALIZE_PASS_BEGIN(InductiveRangeCheckElimination, "irce",
219                       "Inductive range check elimination", false, false)
220 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BranchProbabilityInfoWrapperPass)
221 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
222 INITIALIZE_PASS_END(InductiveRangeCheckElimination, "irce",
223                     "Inductive range check elimination", false, false)
224
225 StringRef InductiveRangeCheck::rangeCheckKindToStr(
226     InductiveRangeCheck::RangeCheckKind RCK) {
227   switch (RCK) {
228   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN:
229     return "RANGE_CHECK_UNKNOWN";
230
231   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UPPER:
232     return "RANGE_CHECK_UPPER";
233
234   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER:
235     return "RANGE_CHECK_LOWER";
236
237   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_BOTH:
238     return "RANGE_CHECK_BOTH";
239   }
240
241   llvm_unreachable("unknown range check type!");
242 }
243
244 /// Parse a single ICmp instruction, `ICI`, into a range check.  If `ICI` cannot
245 /// be interpreted as a range check, return `RANGE_CHECK_UNKNOWN` and set
246 /// `Index` and `Length` to `nullptr`.  Otherwise set `Index` to the value being
247 /// range checked, and set `Length` to the upper limit `Index` is being range
248 /// checked with if (and only if) the range check type is stronger or equal to
249 /// RANGE_CHECK_UPPER.
250 ///
251 InductiveRangeCheck::RangeCheckKind
252 InductiveRangeCheck::parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
253                                          ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
254                                          Value *&Length) {
255
256   auto IsNonNegativeAndNotLoopVarying = [&SE, L](Value *V) {
257     const SCEV *S = SE.getSCEV(V);
258     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(S))
259       return false;
260
261     return SE.getLoopDisposition(S, L) == ScalarEvolution::LoopInvariant &&
262            SE.isKnownNonNegative(S);
263   };
264
265   using namespace llvm::PatternMatch;
266
267   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
268   Value *LHS = ICI->getOperand(0);
269   Value *RHS = ICI->getOperand(1);
270
271   switch (Pred) {
272   default:
273     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
274
275   case ICmpInst::ICMP_SLE:
276     std::swap(LHS, RHS);
277     LLVM_FALLTHROUGH;
278   case ICmpInst::ICMP_SGE:
279     if (match(RHS, m_ConstantInt<0>())) {
280       Index = LHS;
281       return RANGE_CHECK_LOWER;
282     }
283     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
284
285   case ICmpInst::ICMP_SLT:
286     std::swap(LHS, RHS);
287     LLVM_FALLTHROUGH;
288   case ICmpInst::ICMP_SGT:
289     if (match(RHS, m_ConstantInt<-1>())) {
290       Index = LHS;
291       return RANGE_CHECK_LOWER;
292     }
293
294     if (IsNonNegativeAndNotLoopVarying(LHS)) {
295       Index = RHS;
296       Length = LHS;
297       return RANGE_CHECK_UPPER;
298     }
299     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
300
301   case ICmpInst::ICMP_ULT:
302     std::swap(LHS, RHS);
303     LLVM_FALLTHROUGH;
304   case ICmpInst::ICMP_UGT:
305     if (IsNonNegativeAndNotLoopVarying(LHS)) {
306       Index = RHS;
307       Length = LHS;
308       return RANGE_CHECK_BOTH;
309     }
310     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
311   }
312
313   llvm_unreachable("default clause returns!");
314 }
315
316 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(
317     Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
318     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
319     SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) {
320   using namespace llvm::PatternMatch;
321
322   Value *Condition = ConditionUse.get();
323   if (!Visited.insert(Condition).second)
324     return;
325
326   if (match(Condition, m_And(m_Value(), m_Value()))) {
327     SmallVector<InductiveRangeCheck, 8> SubChecks;
328     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(0),
329                                SubChecks, Visited);
330     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(1),
331                                SubChecks, Visited);
332
333     if (SubChecks.size() == 2) {
334       // Handle a special case where we know how to merge two checks separately
335       // checking the upper and lower bounds into a full range check.
336       const auto &RChkA = SubChecks[0];
337       const auto &RChkB = SubChecks[1];
338       if ((RChkA.Length == RChkB.Length || !RChkA.Length || !RChkB.Length) &&
339           RChkA.Offset == RChkB.Offset && RChkA.Scale == RChkB.Scale) {
340
341         // If RChkA.Kind == RChkB.Kind then we just found two identical checks.
342         // But if one of them is a RANGE_CHECK_LOWER and the other is a
343         // RANGE_CHECK_UPPER (only possibility if they're different) then
344         // together they form a RANGE_CHECK_BOTH.
345         SubChecks[0].Kind =
346             (InductiveRangeCheck::RangeCheckKind)(RChkA.Kind | RChkB.Kind);
347         SubChecks[0].Length = RChkA.Length ? RChkA.Length : RChkB.Length;
348         SubChecks[0].CheckUse = &ConditionUse;
349
350         // We updated one of the checks in place, now erase the other.
351         SubChecks.pop_back();
352       }
353     }
354
355     Checks.insert(Checks.end(), SubChecks.begin(), SubChecks.end());
356     return;
357   }
358
359   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(Condition);
360   if (!ICI)
361     return;
362
363   Value *Length = nullptr, *Index;
364   auto RCKind = parseRangeCheckICmp(L, ICI, SE, Index, Length);
365   if (RCKind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN)
366     return;
367
368   const auto *IndexAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Index));
369   bool IsAffineIndex =
370       IndexAddRec && (IndexAddRec->getLoop() == L) && IndexAddRec->isAffine();
371
372   if (!IsAffineIndex)
373     return;
374
375   InductiveRangeCheck IRC;
376   IRC.Length = Length;
377   IRC.Offset = IndexAddRec->getStart();
378   IRC.Scale = IndexAddRec->getStepRecurrence(SE);
379   IRC.CheckUse = &ConditionUse;
380   IRC.Kind = RCKind;
381   Checks.push_back(IRC);
382 }
383
384 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(
385     BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE, BranchProbabilityInfo &BPI,
386     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks) {
387
388   if (BI->isUnconditional() || BI->getParent() == L->getLoopLatch())
389     return;
390
391   BranchProbability LikelyTaken(15, 16);
392
393   if (!SkipProfitabilityChecks &&
394       BPI.getEdgeProbability(BI->getParent(), (unsigned)0) < LikelyTaken)
395     return;
396
397   SmallPtrSet<Value *, 8> Visited;
398   InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(L, SE, BI->getOperandUse(0),
399                                                   Checks, Visited);
400 }
401
402 // Add metadata to the loop L to disable loop optimizations. Callers need to
403 // confirm that optimizing loop L is not beneficial.
404 static void DisableAllLoopOptsOnLoop(Loop &L) {
405   // We do not care about any existing loopID related metadata for L, since we
406   // are setting all loop metadata to false.
407   LLVMContext &Context = L.getHeader()->getContext();
408   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
409   MDNode *Dummy = MDNode::get(Context, {});
410   MDNode *DisableUnroll = MDNode::get(
411       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable")});
412   Metadata *FalseVal =
413       ConstantAsMetadata::get(ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Context), 0));
414   MDNode *DisableVectorize = MDNode::get(
415       Context,
416       {MDString::get(Context, "llvm.loop.vectorize.enable"), FalseVal});
417   MDNode *DisableLICMVersioning = MDNode::get(
418       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.licm_versioning.disable")});
419   MDNode *DisableDistribution= MDNode::get(
420       Context,
421       {MDString::get(Context, "llvm.loop.distribute.enable"), FalseVal});
422   MDNode *NewLoopID =
423       MDNode::get(Context, {Dummy, DisableUnroll, DisableVectorize,
424                             DisableLICMVersioning, DisableDistribution});
425   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
426   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
427   L.setLoopID(NewLoopID);
428 }
429
430 namespace {
431
432 // Keeps track of the structure of a loop.  This is similar to llvm::Loop,
433 // except that it is more lightweight and can track the state of a loop through
434 // changing and potentially invalid IR.  This structure also formalizes the
435 // kinds of loops we can deal with -- ones that have a single latch that is also
436 // an exiting block *and* have a canonical induction variable.
437 struct LoopStructure {
438   const char *Tag;
439
440   BasicBlock *Header;
441   BasicBlock *Latch;
442
443   // `Latch's terminator instruction is `LatchBr', and it's `LatchBrExitIdx'th
444   // successor is `LatchExit', the exit block of the loop.
445   BranchInst *LatchBr;
446   BasicBlock *LatchExit;
447   unsigned LatchBrExitIdx;
448
449   // The loop represented by this instance of LoopStructure is semantically
450   // equivalent to:
451   //
452   // intN_ty inc = IndVarIncreasing ? 1 : -1;
453   // pred_ty predicate = IndVarIncreasing ? ICMP_SLT : ICMP_SGT;
454   //
455   // for (intN_ty iv = IndVarStart; predicate(iv, LoopExitAt); iv = IndVarNext)
456   //   ... body ...
457
458   Value *IndVarNext;
459   Value *IndVarStart;
460   Value *LoopExitAt;
461   bool IndVarIncreasing;
462
463   LoopStructure()
464       : Tag(""), Header(nullptr), Latch(nullptr), LatchBr(nullptr),
465         LatchExit(nullptr), LatchBrExitIdx(-1), IndVarNext(nullptr),
466         IndVarStart(nullptr), LoopExitAt(nullptr), IndVarIncreasing(false) {}
467
468   template <typename M> LoopStructure map(M Map) const {
469     LoopStructure Result;
470     Result.Tag = Tag;
471     Result.Header = cast<BasicBlock>(Map(Header));
472     Result.Latch = cast<BasicBlock>(Map(Latch));
473     Result.LatchBr = cast<BranchInst>(Map(LatchBr));
474     Result.LatchExit = cast<BasicBlock>(Map(LatchExit));
475     Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
476     Result.IndVarNext = Map(IndVarNext);
477     Result.IndVarStart = Map(IndVarStart);
478     Result.LoopExitAt = Map(LoopExitAt);
479     Result.IndVarIncreasing = IndVarIncreasing;
480     return Result;
481   }
482
483   static Optional<LoopStructure> parseLoopStructure(ScalarEvolution &,
484                                                     BranchProbabilityInfo &BPI,
485                                                     Loop &,
486                                                     const char *&);
487 };
488
489 /// This class is used to constrain loops to run within a given iteration space.
490 /// The algorithm this class implements is given a Loop and a range [Begin,
491 /// End).  The algorithm then tries to break out a "main loop" out of the loop
492 /// it is given in a way that the "main loop" runs with the induction variable
493 /// in a subset of [Begin, End).  The algorithm emits appropriate pre and post
494 /// loops to run any remaining iterations.  The pre loop runs any iterations in
495 /// which the induction variable is < Begin, and the post loop runs any
496 /// iterations in which the induction variable is >= End.
497 ///
498 class LoopConstrainer {
499   // The representation of a clone of the original loop we started out with.
500   struct ClonedLoop {
501     // The cloned blocks
502     std::vector<BasicBlock *> Blocks;
503
504     // `Map` maps values in the clonee into values in the cloned version
505     ValueToValueMapTy Map;
506
507     // An instance of `LoopStructure` for the cloned loop
508     LoopStructure Structure;
509   };
510
511   // Result of rewriting the range of a loop.  See changeIterationSpaceEnd for
512   // more details on what these fields mean.
513   struct RewrittenRangeInfo {
514     BasicBlock *PseudoExit;
515     BasicBlock *ExitSelector;
516     std::vector<PHINode *> PHIValuesAtPseudoExit;
517     PHINode *IndVarEnd;
518
519     RewrittenRangeInfo()
520         : PseudoExit(nullptr), ExitSelector(nullptr), IndVarEnd(nullptr) {}
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   //
545   Optional<SubRanges> calculateSubRanges() const;
546
547   // Clone `OriginalLoop' and return the result in CLResult.  The IR after
548   // running `cloneLoop' is well formed except for the PHI nodes in CLResult --
549   // the PHI nodes say that there is an incoming edge from `OriginalPreheader`
550   // but there is no such edge.
551   //
552   void cloneLoop(ClonedLoop &CLResult, const char *Tag) const;
553
554   // Create the appropriate loop structure needed to describe a cloned copy of
555   // `Original`.  The clone is described by `VM`.
556   Loop *createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
557                                   ValueToValueMapTy &VM);
558
559   // Rewrite the iteration space of the loop denoted by (LS, Preheader). The
560   // iteration space of the rewritten loop ends at ExitLoopAt.  The start of the
561   // iteration space is not changed.  `ExitLoopAt' is assumed to be slt
562   // `OriginalHeaderCount'.
563   //
564   // If there are iterations left to execute, control is made to jump to
565   // `ContinuationBlock', otherwise they take the normal loop exit.  The
566   // returned `RewrittenRangeInfo' object is populated as follows:
567   //
568   //  .PseudoExit is a basic block that unconditionally branches to
569   //      `ContinuationBlock'.
570   //
571   //  .ExitSelector is a basic block that decides, on exit from the loop,
572   //      whether to branch to the "true" exit or to `PseudoExit'.
573   //
574   //  .PHIValuesAtPseudoExit are PHINodes in `PseudoExit' that compute the value
575   //      for each PHINode in the loop header on taking the pseudo exit.
576   //
577   // After changeIterationSpaceEnd, `Preheader' is no longer a legitimate
578   // preheader because it is made to branch to the loop header only
579   // conditionally.
580   //
581   RewrittenRangeInfo
582   changeIterationSpaceEnd(const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader,
583                           Value *ExitLoopAt,
584                           BasicBlock *ContinuationBlock) const;
585
586   // The loop denoted by `LS' has `OldPreheader' as its preheader.  This
587   // function creates a new preheader for `LS' and returns it.
588   //
589   BasicBlock *createPreheader(const LoopStructure &LS, BasicBlock *OldPreheader,
590                               const char *Tag) const;
591
592   // `ContinuationBlockAndPreheader' was the continuation block for some call to
593   // `changeIterationSpaceEnd' and is the preheader to the loop denoted by `LS'.
594   // This function rewrites the PHI nodes in `LS.Header' to start with the
595   // correct value.
596   void rewriteIncomingValuesForPHIs(
597       LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlockAndPreheader,
598       const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const;
599
600   // Even though we do not preserve any passes at this time, we at least need to
601   // keep the parent loop structure consistent.  The `LPPassManager' seems to
602   // verify this after running a loop pass.  This function adds the list of
603   // blocks denoted by BBs to this loops parent loop if required.
604   void addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs);
605
606   // Some global state.
607   Function &F;
608   LLVMContext &Ctx;
609   ScalarEvolution &SE;
610   DominatorTree &DT;
611   LPPassManager &LPM;
612   LoopInfo &LI;
613
614   // Information about the original loop we started out with.
615   Loop &OriginalLoop;
616   const SCEV *LatchTakenCount;
617   BasicBlock *OriginalPreheader;
618
619   // The preheader of the main loop.  This may or may not be different from
620   // `OriginalPreheader'.
621   BasicBlock *MainLoopPreheader;
622
623   // The range we need to run the main loop in.
624   InductiveRangeCheck::Range Range;
625
626   // The structure of the main loop (see comment at the beginning of this class
627   // for a definition)
628   LoopStructure MainLoopStructure;
629
630 public:
631   LoopConstrainer(Loop &L, LoopInfo &LI, LPPassManager &LPM,
632                   const LoopStructure &LS, ScalarEvolution &SE,
633                   DominatorTree &DT, InductiveRangeCheck::Range R)
634       : F(*L.getHeader()->getParent()), Ctx(L.getHeader()->getContext()),
635         SE(SE), DT(DT), LPM(LPM), LI(LI), OriginalLoop(L),
636         LatchTakenCount(nullptr), OriginalPreheader(nullptr),
637         MainLoopPreheader(nullptr), Range(R), MainLoopStructure(LS) {}
638
639   // Entry point for the algorithm.  Returns true on success.
640   bool run();
641 };
642
643 }
644
645 void LoopConstrainer::replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
646                                       BasicBlock *ReplaceBy) {
647   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
648     if (PN->getIncomingBlock(i) == Block)
649       PN->setIncomingBlock(i, ReplaceBy);
650 }
651
652 static bool CanBeSMax(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S) {
653   APInt SMax =
654       APInt::getSignedMaxValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
655   return SE.getSignedRange(S).contains(SMax) &&
656          SE.getUnsignedRange(S).contains(SMax);
657 }
658
659 static bool CanBeSMin(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S) {
660   APInt SMin =
661       APInt::getSignedMinValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
662   return SE.getSignedRange(S).contains(SMin) &&
663          SE.getUnsignedRange(S).contains(SMin);
664 }
665
666 Optional<LoopStructure>
667 LoopStructure::parseLoopStructure(ScalarEvolution &SE, BranchProbabilityInfo &BPI,
668                                   Loop &L, const char *&FailureReason) {
669   if (!L.isLoopSimplifyForm()) {
670     FailureReason = "loop not in LoopSimplify form";
671     return None;
672   }
673
674   BasicBlock *Latch = L.getLoopLatch();
675   assert(Latch && "Simplified loops only have one latch!");
676
677   if (Latch->getTerminator()->getMetadata(ClonedLoopTag)) {
678     FailureReason = "loop has already been cloned";
679     return None;
680   }
681
682   if (!L.isLoopExiting(Latch)) {
683     FailureReason = "no loop latch";
684     return None;
685   }
686
687   BasicBlock *Header = L.getHeader();
688   BasicBlock *Preheader = L.getLoopPreheader();
689   if (!Preheader) {
690     FailureReason = "no preheader";
691     return None;
692   }
693
694   BranchInst *LatchBr = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
695   if (!LatchBr || LatchBr->isUnconditional()) {
696     FailureReason = "latch terminator not conditional branch";
697     return None;
698   }
699
700   unsigned LatchBrExitIdx = LatchBr->getSuccessor(0) == Header ? 1 : 0;
701
702   BranchProbability ExitProbability =
703     BPI.getEdgeProbability(LatchBr->getParent(), LatchBrExitIdx);
704
705   if (!SkipProfitabilityChecks &&
706       ExitProbability > BranchProbability(1, MaxExitProbReciprocal)) {
707     FailureReason = "short running loop, not profitable";
708     return None;
709   }
710
711   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LatchBr->getCondition());
712   if (!ICI || !isa<IntegerType>(ICI->getOperand(0)->getType())) {
713     FailureReason = "latch terminator branch not conditional on integral icmp";
714     return None;
715   }
716
717   const SCEV *LatchCount = SE.getExitCount(&L, Latch);
718   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchCount)) {
719     FailureReason = "could not compute latch count";
720     return None;
721   }
722
723   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
724   Value *LeftValue = ICI->getOperand(0);
725   const SCEV *LeftSCEV = SE.getSCEV(LeftValue);
726   IntegerType *IndVarTy = cast<IntegerType>(LeftValue->getType());
727
728   Value *RightValue = ICI->getOperand(1);
729   const SCEV *RightSCEV = SE.getSCEV(RightValue);
730
731   // We canonicalize `ICI` such that `LeftSCEV` is an add recurrence.
732   if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV)) {
733     if (isa<SCEVAddRecExpr>(RightSCEV)) {
734       std::swap(LeftSCEV, RightSCEV);
735       std::swap(LeftValue, RightValue);
736       Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
737     } else {
738       FailureReason = "no add recurrences in the icmp";
739       return None;
740     }
741   }
742
743   auto HasNoSignedWrap = [&](const SCEVAddRecExpr *AR) {
744     if (AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW))
745       return true;
746
747     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(AR->getType());
748     IntegerType *WideTy =
749         IntegerType::get(Ty->getContext(), Ty->getBitWidth() * 2);
750
751     const SCEVAddRecExpr *ExtendAfterOp =
752         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
753     if (ExtendAfterOp) {
754       const SCEV *ExtendedStart = SE.getSignExtendExpr(AR->getStart(), WideTy);
755       const SCEV *ExtendedStep =
756           SE.getSignExtendExpr(AR->getStepRecurrence(SE), WideTy);
757
758       bool NoSignedWrap = ExtendAfterOp->getStart() == ExtendedStart &&
759                           ExtendAfterOp->getStepRecurrence(SE) == ExtendedStep;
760
761       if (NoSignedWrap)
762         return true;
763     }
764
765     // We may have proved this when computing the sign extension above.
766     return AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW) != SCEV::FlagAnyWrap;
767   };
768
769   auto IsInductionVar = [&](const SCEVAddRecExpr *AR, bool &IsIncreasing) {
770     if (!AR->isAffine())
771       return false;
772
773     // Currently we only work with induction variables that have been proved to
774     // not wrap.  This restriction can potentially be lifted in the future.
775
776     if (!HasNoSignedWrap(AR))
777       return false;
778
779     if (const SCEVConstant *StepExpr =
780             dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(SE))) {
781       ConstantInt *StepCI = StepExpr->getValue();
782       if (StepCI->isOne() || StepCI->isMinusOne()) {
783         IsIncreasing = StepCI->isOne();
784         return true;
785       }
786     }
787
788     return false;
789   };
790
791   // `ICI` is interpreted as taking the backedge if the *next* value of the
792   // induction variable satisfies some constraint.
793
794   const SCEVAddRecExpr *IndVarNext = cast<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV);
795   bool IsIncreasing = false;
796   if (!IsInductionVar(IndVarNext, IsIncreasing)) {
797     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
798     return None;
799   }
800
801   const SCEV *StartNext = IndVarNext->getStart();
802   const SCEV *Addend = SE.getNegativeSCEV(IndVarNext->getStepRecurrence(SE));
803   const SCEV *IndVarStart = SE.getAddExpr(StartNext, Addend);
804
805   ConstantInt *One = ConstantInt::get(IndVarTy, 1);
806   // TODO: generalize the predicates here to also match their unsigned variants.
807   if (IsIncreasing) {
808     bool FoundExpectedPred =
809         (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT && LatchBrExitIdx == 1) ||
810         (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT && LatchBrExitIdx == 0);
811
812     if (!FoundExpectedPred) {
813       FailureReason = "expected icmp slt semantically, found something else";
814       return None;
815     }
816
817     if (LatchBrExitIdx == 0) {
818       if (CanBeSMax(SE, RightSCEV)) {
819         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
820         // remember that the icmp was an slt and not an sle.
821         FailureReason = "limit may overflow when coercing sle to slt";
822         return None;
823       }
824
825       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(
826               &L, CmpInst::ICMP_SLT, IndVarStart,
827               SE.getAddExpr(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType())))) {
828         FailureReason = "Induction variable start not bounded by upper limit";
829         return None;
830       }
831
832       IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
833       RightValue = B.CreateAdd(RightValue, One);
834     } else {
835       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(&L, CmpInst::ICMP_SLT, IndVarStart,
836                                        RightSCEV)) {
837         FailureReason = "Induction variable start not bounded by upper limit";
838         return None;
839       }
840     }
841   } else {
842     bool FoundExpectedPred =
843         (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT && LatchBrExitIdx == 1) ||
844         (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT && LatchBrExitIdx == 0);
845
846     if (!FoundExpectedPred) {
847       FailureReason = "expected icmp sgt semantically, found something else";
848       return None;
849     }
850
851     if (LatchBrExitIdx == 0) {
852       if (CanBeSMin(SE, RightSCEV)) {
853         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
854         // remember that the icmp was an sgt and not an sge.
855         FailureReason = "limit may overflow when coercing sge to sgt";
856         return None;
857       }
858
859       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(
860               &L, CmpInst::ICMP_SGT, IndVarStart,
861               SE.getMinusSCEV(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType())))) {
862         FailureReason = "Induction variable start not bounded by lower limit";
863         return None;
864       }
865
866       IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
867       RightValue = B.CreateSub(RightValue, One);
868     } else {
869       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(&L, CmpInst::ICMP_SGT, IndVarStart,
870                                        RightSCEV)) {
871         FailureReason = "Induction variable start not bounded by lower limit";
872         return None;
873       }
874     }
875   }
876
877   BasicBlock *LatchExit = LatchBr->getSuccessor(LatchBrExitIdx);
878
879   assert(SE.getLoopDisposition(LatchCount, &L) ==
880              ScalarEvolution::LoopInvariant &&
881          "loop variant exit count doesn't make sense!");
882
883   assert(!L.contains(LatchExit) && "expected an exit block!");
884   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
885   Value *IndVarStartV =
886       SCEVExpander(SE, DL, "irce")
887           .expandCodeFor(IndVarStart, IndVarTy, Preheader->getTerminator());
888   IndVarStartV->setName("indvar.start");
889
890   LoopStructure Result;
891
892   Result.Tag = "main";
893   Result.Header = Header;
894   Result.Latch = Latch;
895   Result.LatchBr = LatchBr;
896   Result.LatchExit = LatchExit;
897   Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
898   Result.IndVarStart = IndVarStartV;
899   Result.IndVarNext = LeftValue;
900   Result.IndVarIncreasing = IsIncreasing;
901   Result.LoopExitAt = RightValue;
902
903   FailureReason = nullptr;
904
905   return Result;
906 }
907
908 Optional<LoopConstrainer::SubRanges>
909 LoopConstrainer::calculateSubRanges() const {
910   IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(LatchTakenCount->getType());
911
912   if (Range.getType() != Ty)
913     return None;
914
915   LoopConstrainer::SubRanges Result;
916
917   // I think we can be more aggressive here and make this nuw / nsw if the
918   // addition that feeds into the icmp for the latch's terminating branch is nuw
919   // / nsw.  In any case, a wrapping 2's complement addition is safe.
920   ConstantInt *One = ConstantInt::get(Ty, 1);
921   const SCEV *Start = SE.getSCEV(MainLoopStructure.IndVarStart);
922   const SCEV *End = SE.getSCEV(MainLoopStructure.LoopExitAt);
923
924   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
925
926   // We compute `Smallest` and `Greatest` such that [Smallest, Greatest) is the
927   // range of values the induction variable takes.
928
929   const SCEV *Smallest = nullptr, *Greatest = nullptr;
930
931   if (Increasing) {
932     Smallest = Start;
933     Greatest = End;
934   } else {
935     // These two computations may sign-overflow.  Here is why that is okay:
936     //
937     // We know that the induction variable does not sign-overflow on any
938     // iteration except the last one, and it starts at `Start` and ends at
939     // `End`, decrementing by one every time.
940     //
941     //  * if `Smallest` sign-overflows we know `End` is `INT_SMAX`. Since the
942     //    induction variable is decreasing we know that that the smallest value
943     //    the loop body is actually executed with is `INT_SMIN` == `Smallest`.
944     //
945     //  * if `Greatest` sign-overflows, we know it can only be `INT_SMIN`.  In
946     //    that case, `Clamp` will always return `Smallest` and
947     //    [`Result.LowLimit`, `Result.HighLimit`) = [`Smallest`, `Smallest`)
948     //    will be an empty range.  Returning an empty range is always safe.
949     //
950
951     Smallest = SE.getAddExpr(End, SE.getSCEV(One));
952     Greatest = SE.getAddExpr(Start, SE.getSCEV(One));
953   }
954
955   auto Clamp = [this, Smallest, Greatest](const SCEV *S) {
956     return SE.getSMaxExpr(Smallest, SE.getSMinExpr(Greatest, S));
957   };
958
959   // In some cases we can prove that we don't need a pre or post loop
960
961   bool ProvablyNoPreloop =
962       SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, Range.getBegin(), Smallest);
963   if (!ProvablyNoPreloop)
964     Result.LowLimit = Clamp(Range.getBegin());
965
966   bool ProvablyNoPostLoop =
967       SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, Greatest, Range.getEnd());
968   if (!ProvablyNoPostLoop)
969     Result.HighLimit = Clamp(Range.getEnd());
970
971   return Result;
972 }
973
974 void LoopConstrainer::cloneLoop(LoopConstrainer::ClonedLoop &Result,
975                                 const char *Tag) const {
976   for (BasicBlock *BB : OriginalLoop.getBlocks()) {
977     BasicBlock *Clone = CloneBasicBlock(BB, Result.Map, Twine(".") + Tag, &F);
978     Result.Blocks.push_back(Clone);
979     Result.Map[BB] = Clone;
980   }
981
982   auto GetClonedValue = [&Result](Value *V) {
983     assert(V && "null values not in domain!");
984     auto It = Result.Map.find(V);
985     if (It == Result.Map.end())
986       return V;
987     return static_cast<Value *>(It->second);
988   };
989
990   auto *ClonedLatch =
991       cast<BasicBlock>(GetClonedValue(OriginalLoop.getLoopLatch()));
992   ClonedLatch->getTerminator()->setMetadata(ClonedLoopTag,
993                                             MDNode::get(Ctx, {}));
994
995   Result.Structure = MainLoopStructure.map(GetClonedValue);
996   Result.Structure.Tag = Tag;
997
998   for (unsigned i = 0, e = Result.Blocks.size(); i != e; ++i) {
999     BasicBlock *ClonedBB = Result.Blocks[i];
1000     BasicBlock *OriginalBB = OriginalLoop.getBlocks()[i];
1001
1002     assert(Result.Map[OriginalBB] == ClonedBB && "invariant!");
1003
1004     for (Instruction &I : *ClonedBB)
1005       RemapInstruction(&I, Result.Map,
1006                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingLocals);
1007
1008     // Exit blocks will now have one more predecessor and their PHI nodes need
1009     // to be edited to reflect that.  No phi nodes need to be introduced because
1010     // the loop is in LCSSA.
1011
1012     for (auto *SBB : successors(OriginalBB)) {
1013       if (OriginalLoop.contains(SBB))
1014         continue; // not an exit block
1015
1016       for (Instruction &I : *SBB) {
1017         auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1018         if (!PN)
1019           break;
1020
1021         Value *OldIncoming = PN->getIncomingValueForBlock(OriginalBB);
1022         PN->addIncoming(GetClonedValue(OldIncoming), ClonedBB);
1023       }
1024     }
1025   }
1026 }
1027
1028 LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo LoopConstrainer::changeIterationSpaceEnd(
1029     const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader, Value *ExitSubloopAt,
1030     BasicBlock *ContinuationBlock) const {
1031
1032   // We start with a loop with a single latch:
1033   //
1034   //    +--------------------+
1035   //    |                    |
1036   //    |     preheader      |
1037   //    |                    |
1038   //    +--------+-----------+
1039   //             |      ----------------\
1040   //             |     /                |
1041   //    +--------v----v------+          |
1042   //    |                    |          |
1043   //    |      header        |          |
1044   //    |                    |          |
1045   //    +--------------------+          |
1046   //                                    |
1047   //            .....                   |
1048   //                                    |
1049   //    +--------------------+          |
1050   //    |                    |          |
1051   //    |       latch        >----------/
1052   //    |                    |
1053   //    +-------v------------+
1054   //            |
1055   //            |
1056   //            |   +--------------------+
1057   //            |   |                    |
1058   //            +--->   original exit    |
1059   //                |                    |
1060   //                +--------------------+
1061   //
1062   // We change the control flow to look like
1063   //
1064   //
1065   //    +--------------------+
1066   //    |                    |
1067   //    |     preheader      >-------------------------+
1068   //    |                    |                         |
1069   //    +--------v-----------+                         |
1070   //             |    /-------------+                  |
1071   //             |   /              |                  |
1072   //    +--------v--v--------+      |                  |
1073   //    |                    |      |                  |
1074   //    |      header        |      |   +--------+     |
1075   //    |                    |      |   |        |     |
1076   //    +--------------------+      |   |  +-----v-----v-----------+
1077   //                                |   |  |                       |
1078   //                                |   |  |     .pseudo.exit      |
1079   //                                |   |  |                       |
1080   //                                |   |  +-----------v-----------+
1081   //                                |   |              |
1082   //            .....               |   |              |
1083   //                                |   |     +--------v-------------+
1084   //    +--------------------+      |   |     |                      |
1085   //    |                    |      |   |     |   ContinuationBlock  |
1086   //    |       latch        >------+   |     |                      |
1087   //    |                    |          |     +----------------------+
1088   //    +---------v----------+          |
1089   //              |                     |
1090   //              |                     |
1091   //              |     +---------------^-----+
1092   //              |     |                     |
1093   //              +----->    .exit.selector   |
1094   //                    |                     |
1095   //                    +----------v----------+
1096   //                               |
1097   //     +--------------------+    |
1098   //     |                    |    |
1099   //     |   original exit    <----+
1100   //     |                    |
1101   //     +--------------------+
1102   //
1103
1104   RewrittenRangeInfo RRI;
1105
1106   BasicBlock *BBInsertLocation = LS.Latch->getNextNode();
1107   RRI.ExitSelector = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".exit.selector",
1108                                         &F, BBInsertLocation);
1109   RRI.PseudoExit = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".pseudo.exit", &F,
1110                                       BBInsertLocation);
1111
1112   BranchInst *PreheaderJump = cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
1113   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1114
1115   IRBuilder<> B(PreheaderJump);
1116
1117   // EnterLoopCond - is it okay to start executing this `LS'?
1118   Value *EnterLoopCond = Increasing
1119                              ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt)
1120                              : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1121
1122   B.CreateCondBr(EnterLoopCond, LS.Header, RRI.PseudoExit);
1123   PreheaderJump->eraseFromParent();
1124
1125   LS.LatchBr->setSuccessor(LS.LatchBrExitIdx, RRI.ExitSelector);
1126   B.SetInsertPoint(LS.LatchBr);
1127   Value *TakeBackedgeLoopCond =
1128       Increasing ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarNext, ExitSubloopAt)
1129                  : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarNext, ExitSubloopAt);
1130   Value *CondForBranch = LS.LatchBrExitIdx == 1
1131                              ? TakeBackedgeLoopCond
1132                              : B.CreateNot(TakeBackedgeLoopCond);
1133
1134   LS.LatchBr->setCondition(CondForBranch);
1135
1136   B.SetInsertPoint(RRI.ExitSelector);
1137
1138   // IterationsLeft - are there any more iterations left, given the original
1139   // upper bound on the induction variable?  If not, we branch to the "real"
1140   // exit.
1141   Value *IterationsLeft = Increasing
1142                               ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarNext, LS.LoopExitAt)
1143                               : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarNext, LS.LoopExitAt);
1144   B.CreateCondBr(IterationsLeft, RRI.PseudoExit, LS.LatchExit);
1145
1146   BranchInst *BranchToContinuation =
1147       BranchInst::Create(ContinuationBlock, RRI.PseudoExit);
1148
1149   // We emit PHI nodes into `RRI.PseudoExit' that compute the "latest" value of
1150   // each of the PHI nodes in the loop header.  This feeds into the initial
1151   // value of the same PHI nodes if/when we continue execution.
1152   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1153     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1154     if (!PN)
1155       break;
1156
1157     PHINode *NewPHI = PHINode::Create(PN->getType(), 2, PN->getName() + ".copy",
1158                                       BranchToContinuation);
1159
1160     NewPHI->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader), Preheader);
1161     NewPHI->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(LS.Latch),
1162                         RRI.ExitSelector);
1163     RRI.PHIValuesAtPseudoExit.push_back(NewPHI);
1164   }
1165
1166   RRI.IndVarEnd = PHINode::Create(LS.IndVarNext->getType(), 2, "indvar.end",
1167                                   BranchToContinuation);
1168   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarStart, Preheader);
1169   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarNext, RRI.ExitSelector);
1170
1171   // The latch exit now has a branch from `RRI.ExitSelector' instead of
1172   // `LS.Latch'.  The PHI nodes need to be updated to reflect that.
1173   for (Instruction &I : *LS.LatchExit) {
1174     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&I))
1175       replacePHIBlock(PN, LS.Latch, RRI.ExitSelector);
1176     else
1177       break;
1178   }
1179
1180   return RRI;
1181 }
1182
1183 void LoopConstrainer::rewriteIncomingValuesForPHIs(
1184     LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlock,
1185     const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const {
1186
1187   unsigned PHIIndex = 0;
1188   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1189     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1190     if (!PN)
1191       break;
1192
1193     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1194       if (PN->getIncomingBlock(i) == ContinuationBlock)
1195         PN->setIncomingValue(i, RRI.PHIValuesAtPseudoExit[PHIIndex++]);
1196   }
1197
1198   LS.IndVarStart = RRI.IndVarEnd;
1199 }
1200
1201 BasicBlock *LoopConstrainer::createPreheader(const LoopStructure &LS,
1202                                              BasicBlock *OldPreheader,
1203                                              const char *Tag) const {
1204
1205   BasicBlock *Preheader = BasicBlock::Create(Ctx, Tag, &F, LS.Header);
1206   BranchInst::Create(LS.Header, Preheader);
1207
1208   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1209     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1210     if (!PN)
1211       break;
1212
1213     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1214       replacePHIBlock(PN, OldPreheader, Preheader);
1215   }
1216
1217   return Preheader;
1218 }
1219
1220 void LoopConstrainer::addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs) {
1221   Loop *ParentLoop = OriginalLoop.getParentLoop();
1222   if (!ParentLoop)
1223     return;
1224
1225   for (BasicBlock *BB : BBs)
1226     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(BB, LI);
1227 }
1228
1229 Loop *LoopConstrainer::createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
1230                                                  ValueToValueMapTy &VM) {
1231   Loop &New = *new Loop();
1232   if (Parent)
1233     Parent->addChildLoop(&New);
1234   else
1235     LI.addTopLevelLoop(&New);
1236   LPM.addLoop(New);
1237
1238   // Add all of the blocks in Original to the new loop.
1239   for (auto *BB : Original->blocks())
1240     if (LI.getLoopFor(BB) == Original)
1241       New.addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[BB]), LI);
1242
1243   // Add all of the subloops to the new loop.
1244   for (Loop *SubLoop : *Original)
1245     createClonedLoopStructure(SubLoop, &New, VM);
1246
1247   return &New;
1248 }
1249
1250 bool LoopConstrainer::run() {
1251   BasicBlock *Preheader = nullptr;
1252   LatchTakenCount = SE.getExitCount(&OriginalLoop, MainLoopStructure.Latch);
1253   Preheader = OriginalLoop.getLoopPreheader();
1254   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchTakenCount) && Preheader != nullptr &&
1255          "preconditions!");
1256
1257   OriginalPreheader = Preheader;
1258   MainLoopPreheader = Preheader;
1259
1260   Optional<SubRanges> MaybeSR = calculateSubRanges();
1261   if (!MaybeSR.hasValue()) {
1262     DEBUG(dbgs() << "irce: could not compute subranges\n");
1263     return false;
1264   }
1265
1266   SubRanges SR = MaybeSR.getValue();
1267   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1268   IntegerType *IVTy =
1269       cast<IntegerType>(MainLoopStructure.IndVarNext->getType());
1270
1271   SCEVExpander Expander(SE, F.getParent()->getDataLayout(), "irce");
1272   Instruction *InsertPt = OriginalPreheader->getTerminator();
1273
1274   // It would have been better to make `PreLoop' and `PostLoop'
1275   // `Optional<ClonedLoop>'s, but `ValueToValueMapTy' does not have a copy
1276   // constructor.
1277   ClonedLoop PreLoop, PostLoop;
1278   bool NeedsPreLoop =
1279       Increasing ? SR.LowLimit.hasValue() : SR.HighLimit.hasValue();
1280   bool NeedsPostLoop =
1281       Increasing ? SR.HighLimit.hasValue() : SR.LowLimit.hasValue();
1282
1283   Value *ExitPreLoopAt = nullptr;
1284   Value *ExitMainLoopAt = nullptr;
1285   const SCEVConstant *MinusOneS =
1286       cast<SCEVConstant>(SE.getConstant(IVTy, -1, true /* isSigned */));
1287
1288   if (NeedsPreLoop) {
1289     const SCEV *ExitPreLoopAtSCEV = nullptr;
1290
1291     if (Increasing)
1292       ExitPreLoopAtSCEV = *SR.LowLimit;
1293     else {
1294       if (CanBeSMin(SE, *SR.HighLimit)) {
1295         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1296                      << "preloop exit limit.  HighLimit = " << *(*SR.HighLimit)
1297                      << "\n");
1298         return false;
1299       }
1300       ExitPreLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.HighLimit, MinusOneS);
1301     }
1302
1303     ExitPreLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitPreLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1304     ExitPreLoopAt->setName("exit.preloop.at");
1305   }
1306
1307   if (NeedsPostLoop) {
1308     const SCEV *ExitMainLoopAtSCEV = nullptr;
1309
1310     if (Increasing)
1311       ExitMainLoopAtSCEV = *SR.HighLimit;
1312     else {
1313       if (CanBeSMin(SE, *SR.LowLimit)) {
1314         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1315                      << "mainloop exit limit.  LowLimit = " << *(*SR.LowLimit)
1316                      << "\n");
1317         return false;
1318       }
1319       ExitMainLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.LowLimit, MinusOneS);
1320     }
1321
1322     ExitMainLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitMainLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1323     ExitMainLoopAt->setName("exit.mainloop.at");
1324   }
1325
1326   // We clone these ahead of time so that we don't have to deal with changing
1327   // and temporarily invalid IR as we transform the loops.
1328   if (NeedsPreLoop)
1329     cloneLoop(PreLoop, "preloop");
1330   if (NeedsPostLoop)
1331     cloneLoop(PostLoop, "postloop");
1332
1333   RewrittenRangeInfo PreLoopRRI;
1334
1335   if (NeedsPreLoop) {
1336     Preheader->getTerminator()->replaceUsesOfWith(MainLoopStructure.Header,
1337                                                   PreLoop.Structure.Header);
1338
1339     MainLoopPreheader =
1340         createPreheader(MainLoopStructure, Preheader, "mainloop");
1341     PreLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(PreLoop.Structure, Preheader,
1342                                          ExitPreLoopAt, MainLoopPreheader);
1343     rewriteIncomingValuesForPHIs(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1344                                  PreLoopRRI);
1345   }
1346
1347   BasicBlock *PostLoopPreheader = nullptr;
1348   RewrittenRangeInfo PostLoopRRI;
1349
1350   if (NeedsPostLoop) {
1351     PostLoopPreheader =
1352         createPreheader(PostLoop.Structure, Preheader, "postloop");
1353     PostLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1354                                           ExitMainLoopAt, PostLoopPreheader);
1355     rewriteIncomingValuesForPHIs(PostLoop.Structure, PostLoopPreheader,
1356                                  PostLoopRRI);
1357   }
1358
1359   BasicBlock *NewMainLoopPreheader =
1360       MainLoopPreheader != Preheader ? MainLoopPreheader : nullptr;
1361   BasicBlock *NewBlocks[] = {PostLoopPreheader,        PreLoopRRI.PseudoExit,
1362                              PreLoopRRI.ExitSelector,  PostLoopRRI.PseudoExit,
1363                              PostLoopRRI.ExitSelector, NewMainLoopPreheader};
1364
1365   // Some of the above may be nullptr, filter them out before passing to
1366   // addToParentLoopIfNeeded.
1367   auto NewBlocksEnd =
1368       std::remove(std::begin(NewBlocks), std::end(NewBlocks), nullptr);
1369
1370   addToParentLoopIfNeeded(makeArrayRef(std::begin(NewBlocks), NewBlocksEnd));
1371
1372   DT.recalculate(F);
1373
1374   if (!PreLoop.Blocks.empty()) {
1375     auto *L = createClonedLoopStructure(
1376         &OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(), PreLoop.Map);
1377     formLCSSARecursively(*L, DT, &LI, &SE);
1378     simplifyLoop(L, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1379     // Pre loops are slow paths, we do not need to perform any loop
1380     // optimizations on them.
1381     DisableAllLoopOptsOnLoop(*L);
1382   }
1383
1384   if (!PostLoop.Blocks.empty()) {
1385     auto *L = createClonedLoopStructure(
1386         &OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(), PostLoop.Map);
1387     formLCSSARecursively(*L, DT, &LI, &SE);
1388     simplifyLoop(L, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1389     // Post loops are slow paths, we do not need to perform any loop
1390     // optimizations on them.
1391     DisableAllLoopOptsOnLoop(*L);
1392   }
1393
1394   formLCSSARecursively(OriginalLoop, DT, &LI, &SE);
1395   simplifyLoop(&OriginalLoop, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1396
1397   return true;
1398 }
1399
1400 /// Computes and returns a range of values for the induction variable (IndVar)
1401 /// in which the range check can be safely elided.  If it cannot compute such a
1402 /// range, returns None.
1403 Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1404 InductiveRangeCheck::computeSafeIterationSpace(
1405     ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *IndVar) const {
1406   // IndVar is of the form "A + B * I" (where "I" is the canonical induction
1407   // variable, that may or may not exist as a real llvm::Value in the loop) and
1408   // this inductive range check is a range check on the "C + D * I" ("C" is
1409   // getOffset() and "D" is getScale()).  We rewrite the value being range
1410   // checked to "M + N * IndVar" where "N" = "D * B^(-1)" and "M" = "C - NA".
1411   // Currently we support this only for "B" = "D" = { 1 or -1 }, but the code
1412   // can be generalized as needed.
1413   //
1414   // The actual inequalities we solve are of the form
1415   //
1416   //   0 <= M + 1 * IndVar < L given L >= 0  (i.e. N == 1)
1417   //
1418   // The inequality is satisfied by -M <= IndVar < (L - M) [^1].  All additions
1419   // and subtractions are twos-complement wrapping and comparisons are signed.
1420   //
1421   // Proof:
1422   //
1423   //   If there exists IndVar such that -M <= IndVar < (L - M) then it follows
1424   //   that -M <= (-M + L) [== Eq. 1].  Since L >= 0, if (-M + L) sign-overflows
1425   //   then (-M + L) < (-M).  Hence by [Eq. 1], (-M + L) could not have
1426   //   overflown.
1427   //
1428   //   This means IndVar = t + (-M) for t in [0, L).  Hence (IndVar + M) = t.
1429   //   Hence 0 <= (IndVar + M) < L
1430
1431   // [^1]: Note that the solution does _not_ apply if L < 0; consider values M =
1432   // 127, IndVar = 126 and L = -2 in an i8 world.
1433
1434   if (!IndVar->isAffine())
1435     return None;
1436
1437   const SCEV *A = IndVar->getStart();
1438   const SCEVConstant *B = dyn_cast<SCEVConstant>(IndVar->getStepRecurrence(SE));
1439   if (!B)
1440     return None;
1441
1442   const SCEV *C = getOffset();
1443   const SCEVConstant *D = dyn_cast<SCEVConstant>(getScale());
1444   if (D != B)
1445     return None;
1446
1447   ConstantInt *ConstD = D->getValue();
1448   if (!(ConstD->isMinusOne() || ConstD->isOne()))
1449     return None;
1450
1451   const SCEV *M = SE.getMinusSCEV(C, A);
1452
1453   const SCEV *Begin = SE.getNegativeSCEV(M);
1454   const SCEV *UpperLimit = nullptr;
1455
1456   // We strengthen "0 <= I" to "0 <= I < INT_SMAX" and "I < L" to "0 <= I < L".
1457   // We can potentially do much better here.
1458   if (Value *V = getLength()) {
1459     UpperLimit = SE.getSCEV(V);
1460   } else {
1461     assert(Kind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER && "invariant!");
1462     unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndVar->getType())->getBitWidth();
1463     UpperLimit = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
1464   }
1465
1466   const SCEV *End = SE.getMinusSCEV(UpperLimit, M);
1467   return InductiveRangeCheck::Range(Begin, End);
1468 }
1469
1470 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1471 IntersectRange(ScalarEvolution &SE,
1472                const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1473                const InductiveRangeCheck::Range &R2) {
1474   if (!R1.hasValue())
1475     return R2;
1476   auto &R1Value = R1.getValue();
1477
1478   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1479   // bail out to keep things simple.
1480   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1481     return None;
1482
1483   const SCEV *NewBegin = SE.getSMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1484   const SCEV *NewEnd = SE.getSMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1485
1486   return InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1487 }
1488
1489 bool InductiveRangeCheckElimination::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1490   if (skipLoop(L))
1491     return false;
1492
1493   if (L->getBlocks().size() >= LoopSizeCutoff) {
1494     DEBUG(dbgs() << "irce: giving up constraining loop, too large\n";);
1495     return false;
1496   }
1497
1498   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1499   if (!Preheader) {
1500     DEBUG(dbgs() << "irce: loop has no preheader, leaving\n");
1501     return false;
1502   }
1503
1504   LLVMContext &Context = Preheader->getContext();
1505   SmallVector<InductiveRangeCheck, 16> RangeChecks;
1506   ScalarEvolution &SE = getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1507   BranchProbabilityInfo &BPI =
1508       getAnalysis<BranchProbabilityInfoWrapperPass>().getBPI();
1509
1510   for (auto BBI : L->getBlocks())
1511     if (BranchInst *TBI = dyn_cast<BranchInst>(BBI->getTerminator()))
1512       InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(TBI, L, SE, BPI,
1513                                                         RangeChecks);
1514
1515   if (RangeChecks.empty())
1516     return false;
1517
1518   auto PrintRecognizedRangeChecks = [&](raw_ostream &OS) {
1519     OS << "irce: looking at loop "; L->print(OS);
1520     OS << "irce: loop has " << RangeChecks.size()
1521        << " inductive range checks: \n";
1522     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks)
1523       IRC.print(OS);
1524   };
1525
1526   DEBUG(PrintRecognizedRangeChecks(dbgs()));
1527
1528   if (PrintRangeChecks)
1529     PrintRecognizedRangeChecks(errs());
1530
1531   const char *FailureReason = nullptr;
1532   Optional<LoopStructure> MaybeLoopStructure =
1533       LoopStructure::parseLoopStructure(SE, BPI, *L, FailureReason);
1534   if (!MaybeLoopStructure.hasValue()) {
1535     DEBUG(dbgs() << "irce: could not parse loop structure: " << FailureReason
1536                  << "\n";);
1537     return false;
1538   }
1539   LoopStructure LS = MaybeLoopStructure.getValue();
1540   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1541   const SCEV *MinusOne =
1542       SE.getConstant(LS.IndVarNext->getType(), Increasing ? -1 : 1, true);
1543   const SCEVAddRecExpr *IndVar =
1544       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getAddExpr(SE.getSCEV(LS.IndVarNext), MinusOne));
1545
1546   Optional<InductiveRangeCheck::Range> SafeIterRange;
1547   Instruction *ExprInsertPt = Preheader->getTerminator();
1548
1549   SmallVector<InductiveRangeCheck, 4> RangeChecksToEliminate;
1550
1551   IRBuilder<> B(ExprInsertPt);
1552   for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks) {
1553     auto Result = IRC.computeSafeIterationSpace(SE, IndVar);
1554     if (Result.hasValue()) {
1555       auto MaybeSafeIterRange =
1556           IntersectRange(SE, SafeIterRange, Result.getValue());
1557       if (MaybeSafeIterRange.hasValue()) {
1558         RangeChecksToEliminate.push_back(IRC);
1559         SafeIterRange = MaybeSafeIterRange.getValue();
1560       }
1561     }
1562   }
1563
1564   if (!SafeIterRange.hasValue())
1565     return false;
1566
1567   auto &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1568   LoopConstrainer LC(*L, getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo(), LPM,
1569                      LS, SE, DT, SafeIterRange.getValue());
1570   bool Changed = LC.run();
1571
1572   if (Changed) {
1573     auto PrintConstrainedLoopInfo = [L]() {
1574       dbgs() << "irce: in function ";
1575       dbgs() << L->getHeader()->getParent()->getName() << ": ";
1576       dbgs() << "constrained ";
1577       L->print(dbgs());
1578     };
1579
1580     DEBUG(PrintConstrainedLoopInfo());
1581
1582     if (PrintChangedLoops)
1583       PrintConstrainedLoopInfo();
1584
1585     // Optimize away the now-redundant range checks.
1586
1587     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecksToEliminate) {
1588       ConstantInt *FoldedRangeCheck = IRC.getPassingDirection()
1589                                           ? ConstantInt::getTrue(Context)
1590                                           : ConstantInt::getFalse(Context);
1591       IRC.getCheckUse()->set(FoldedRangeCheck);
1592     }
1593   }
1594
1595   return Changed;
1596 }
1597
1598 Pass *llvm::createInductiveRangeCheckEliminationPass() {
1599   return new InductiveRangeCheckElimination;
1600 }