]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/InductiveRangeCheckElimination.cpp
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[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   Value *IndVarNext;
450   Value *IndVarStart;
451   Value *LoopExitAt;
452   bool IndVarIncreasing;
453
454   LoopStructure()
455       : Tag(""), Header(nullptr), Latch(nullptr), LatchBr(nullptr),
456         LatchExit(nullptr), LatchBrExitIdx(-1), IndVarNext(nullptr),
457         IndVarStart(nullptr), LoopExitAt(nullptr), IndVarIncreasing(false) {}
458
459   template <typename M> LoopStructure map(M Map) const {
460     LoopStructure Result;
461     Result.Tag = Tag;
462     Result.Header = cast<BasicBlock>(Map(Header));
463     Result.Latch = cast<BasicBlock>(Map(Latch));
464     Result.LatchBr = cast<BranchInst>(Map(LatchBr));
465     Result.LatchExit = cast<BasicBlock>(Map(LatchExit));
466     Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
467     Result.IndVarNext = Map(IndVarNext);
468     Result.IndVarStart = Map(IndVarStart);
469     Result.LoopExitAt = Map(LoopExitAt);
470     Result.IndVarIncreasing = IndVarIncreasing;
471     return Result;
472   }
473
474   static Optional<LoopStructure> parseLoopStructure(ScalarEvolution &,
475                                                     BranchProbabilityInfo &BPI,
476                                                     Loop &,
477                                                     const char *&);
478 };
479
480 /// This class is used to constrain loops to run within a given iteration space.
481 /// The algorithm this class implements is given a Loop and a range [Begin,
482 /// End).  The algorithm then tries to break out a "main loop" out of the loop
483 /// it is given in a way that the "main loop" runs with the induction variable
484 /// in a subset of [Begin, End).  The algorithm emits appropriate pre and post
485 /// loops to run any remaining iterations.  The pre loop runs any iterations in
486 /// which the induction variable is < Begin, and the post loop runs any
487 /// iterations in which the induction variable is >= End.
488 ///
489 class LoopConstrainer {
490   // The representation of a clone of the original loop we started out with.
491   struct ClonedLoop {
492     // The cloned blocks
493     std::vector<BasicBlock *> Blocks;
494
495     // `Map` maps values in the clonee into values in the cloned version
496     ValueToValueMapTy Map;
497
498     // An instance of `LoopStructure` for the cloned loop
499     LoopStructure Structure;
500   };
501
502   // Result of rewriting the range of a loop.  See changeIterationSpaceEnd for
503   // more details on what these fields mean.
504   struct RewrittenRangeInfo {
505     BasicBlock *PseudoExit;
506     BasicBlock *ExitSelector;
507     std::vector<PHINode *> PHIValuesAtPseudoExit;
508     PHINode *IndVarEnd;
509
510     RewrittenRangeInfo()
511         : PseudoExit(nullptr), ExitSelector(nullptr), IndVarEnd(nullptr) {}
512   };
513
514   // Calculated subranges we restrict the iteration space of the main loop to.
515   // See the implementation of `calculateSubRanges' for more details on how
516   // these fields are computed.  `LowLimit` is None if there is no restriction
517   // on low end of the restricted iteration space of the main loop.  `HighLimit`
518   // is None if there is no restriction on high end of the restricted iteration
519   // space of the main loop.
520
521   struct SubRanges {
522     Optional<const SCEV *> LowLimit;
523     Optional<const SCEV *> HighLimit;
524   };
525
526   // A utility function that does a `replaceUsesOfWith' on the incoming block
527   // set of a `PHINode' -- replaces instances of `Block' in the `PHINode's
528   // incoming block list with `ReplaceBy'.
529   static void replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
530                               BasicBlock *ReplaceBy);
531
532   // Compute a safe set of limits for the main loop to run in -- effectively the
533   // intersection of `Range' and the iteration space of the original loop.
534   // Return None if unable to compute the set of subranges.
535   //
536   Optional<SubRanges> calculateSubRanges() const;
537
538   // Clone `OriginalLoop' and return the result in CLResult.  The IR after
539   // running `cloneLoop' is well formed except for the PHI nodes in CLResult --
540   // the PHI nodes say that there is an incoming edge from `OriginalPreheader`
541   // but there is no such edge.
542   //
543   void cloneLoop(ClonedLoop &CLResult, const char *Tag) const;
544
545   // Create the appropriate loop structure needed to describe a cloned copy of
546   // `Original`.  The clone is described by `VM`.
547   Loop *createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
548                                   ValueToValueMapTy &VM);
549
550   // Rewrite the iteration space of the loop denoted by (LS, Preheader). The
551   // iteration space of the rewritten loop ends at ExitLoopAt.  The start of the
552   // iteration space is not changed.  `ExitLoopAt' is assumed to be slt
553   // `OriginalHeaderCount'.
554   //
555   // If there are iterations left to execute, control is made to jump to
556   // `ContinuationBlock', otherwise they take the normal loop exit.  The
557   // returned `RewrittenRangeInfo' object is populated as follows:
558   //
559   //  .PseudoExit is a basic block that unconditionally branches to
560   //      `ContinuationBlock'.
561   //
562   //  .ExitSelector is a basic block that decides, on exit from the loop,
563   //      whether to branch to the "true" exit or to `PseudoExit'.
564   //
565   //  .PHIValuesAtPseudoExit are PHINodes in `PseudoExit' that compute the value
566   //      for each PHINode in the loop header on taking the pseudo exit.
567   //
568   // After changeIterationSpaceEnd, `Preheader' is no longer a legitimate
569   // preheader because it is made to branch to the loop header only
570   // conditionally.
571   //
572   RewrittenRangeInfo
573   changeIterationSpaceEnd(const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader,
574                           Value *ExitLoopAt,
575                           BasicBlock *ContinuationBlock) const;
576
577   // The loop denoted by `LS' has `OldPreheader' as its preheader.  This
578   // function creates a new preheader for `LS' and returns it.
579   //
580   BasicBlock *createPreheader(const LoopStructure &LS, BasicBlock *OldPreheader,
581                               const char *Tag) const;
582
583   // `ContinuationBlockAndPreheader' was the continuation block for some call to
584   // `changeIterationSpaceEnd' and is the preheader to the loop denoted by `LS'.
585   // This function rewrites the PHI nodes in `LS.Header' to start with the
586   // correct value.
587   void rewriteIncomingValuesForPHIs(
588       LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlockAndPreheader,
589       const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const;
590
591   // Even though we do not preserve any passes at this time, we at least need to
592   // keep the parent loop structure consistent.  The `LPPassManager' seems to
593   // verify this after running a loop pass.  This function adds the list of
594   // blocks denoted by BBs to this loops parent loop if required.
595   void addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs);
596
597   // Some global state.
598   Function &F;
599   LLVMContext &Ctx;
600   ScalarEvolution &SE;
601   DominatorTree &DT;
602   LPPassManager &LPM;
603   LoopInfo &LI;
604
605   // Information about the original loop we started out with.
606   Loop &OriginalLoop;
607   const SCEV *LatchTakenCount;
608   BasicBlock *OriginalPreheader;
609
610   // The preheader of the main loop.  This may or may not be different from
611   // `OriginalPreheader'.
612   BasicBlock *MainLoopPreheader;
613
614   // The range we need to run the main loop in.
615   InductiveRangeCheck::Range Range;
616
617   // The structure of the main loop (see comment at the beginning of this class
618   // for a definition)
619   LoopStructure MainLoopStructure;
620
621 public:
622   LoopConstrainer(Loop &L, LoopInfo &LI, LPPassManager &LPM,
623                   const LoopStructure &LS, ScalarEvolution &SE,
624                   DominatorTree &DT, InductiveRangeCheck::Range R)
625       : F(*L.getHeader()->getParent()), Ctx(L.getHeader()->getContext()),
626         SE(SE), DT(DT), LPM(LPM), LI(LI), OriginalLoop(L),
627         LatchTakenCount(nullptr), OriginalPreheader(nullptr),
628         MainLoopPreheader(nullptr), Range(R), MainLoopStructure(LS) {}
629
630   // Entry point for the algorithm.  Returns true on success.
631   bool run();
632 };
633
634 }
635
636 void LoopConstrainer::replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
637                                       BasicBlock *ReplaceBy) {
638   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
639     if (PN->getIncomingBlock(i) == Block)
640       PN->setIncomingBlock(i, ReplaceBy);
641 }
642
643 static bool CanBeSMax(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S) {
644   APInt SMax =
645       APInt::getSignedMaxValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
646   return SE.getSignedRange(S).contains(SMax) &&
647          SE.getUnsignedRange(S).contains(SMax);
648 }
649
650 static bool CanBeSMin(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S) {
651   APInt SMin =
652       APInt::getSignedMinValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
653   return SE.getSignedRange(S).contains(SMin) &&
654          SE.getUnsignedRange(S).contains(SMin);
655 }
656
657 Optional<LoopStructure>
658 LoopStructure::parseLoopStructure(ScalarEvolution &SE, BranchProbabilityInfo &BPI,
659                                   Loop &L, const char *&FailureReason) {
660   if (!L.isLoopSimplifyForm()) {
661     FailureReason = "loop not in LoopSimplify form";
662     return None;
663   }
664
665   BasicBlock *Latch = L.getLoopLatch();
666   assert(Latch && "Simplified loops only have one latch!");
667
668   if (Latch->getTerminator()->getMetadata(ClonedLoopTag)) {
669     FailureReason = "loop has already been cloned";
670     return None;
671   }
672
673   if (!L.isLoopExiting(Latch)) {
674     FailureReason = "no loop latch";
675     return None;
676   }
677
678   BasicBlock *Header = L.getHeader();
679   BasicBlock *Preheader = L.getLoopPreheader();
680   if (!Preheader) {
681     FailureReason = "no preheader";
682     return None;
683   }
684
685   BranchInst *LatchBr = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
686   if (!LatchBr || LatchBr->isUnconditional()) {
687     FailureReason = "latch terminator not conditional branch";
688     return None;
689   }
690
691   unsigned LatchBrExitIdx = LatchBr->getSuccessor(0) == Header ? 1 : 0;
692
693   BranchProbability ExitProbability =
694     BPI.getEdgeProbability(LatchBr->getParent(), LatchBrExitIdx);
695
696   if (!SkipProfitabilityChecks &&
697       ExitProbability > BranchProbability(1, MaxExitProbReciprocal)) {
698     FailureReason = "short running loop, not profitable";
699     return None;
700   }
701
702   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LatchBr->getCondition());
703   if (!ICI || !isa<IntegerType>(ICI->getOperand(0)->getType())) {
704     FailureReason = "latch terminator branch not conditional on integral icmp";
705     return None;
706   }
707
708   const SCEV *LatchCount = SE.getExitCount(&L, Latch);
709   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchCount)) {
710     FailureReason = "could not compute latch count";
711     return None;
712   }
713
714   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
715   Value *LeftValue = ICI->getOperand(0);
716   const SCEV *LeftSCEV = SE.getSCEV(LeftValue);
717   IntegerType *IndVarTy = cast<IntegerType>(LeftValue->getType());
718
719   Value *RightValue = ICI->getOperand(1);
720   const SCEV *RightSCEV = SE.getSCEV(RightValue);
721
722   // We canonicalize `ICI` such that `LeftSCEV` is an add recurrence.
723   if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV)) {
724     if (isa<SCEVAddRecExpr>(RightSCEV)) {
725       std::swap(LeftSCEV, RightSCEV);
726       std::swap(LeftValue, RightValue);
727       Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
728     } else {
729       FailureReason = "no add recurrences in the icmp";
730       return None;
731     }
732   }
733
734   auto HasNoSignedWrap = [&](const SCEVAddRecExpr *AR) {
735     if (AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW))
736       return true;
737
738     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(AR->getType());
739     IntegerType *WideTy =
740         IntegerType::get(Ty->getContext(), Ty->getBitWidth() * 2);
741
742     const SCEVAddRecExpr *ExtendAfterOp =
743         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
744     if (ExtendAfterOp) {
745       const SCEV *ExtendedStart = SE.getSignExtendExpr(AR->getStart(), WideTy);
746       const SCEV *ExtendedStep =
747           SE.getSignExtendExpr(AR->getStepRecurrence(SE), WideTy);
748
749       bool NoSignedWrap = ExtendAfterOp->getStart() == ExtendedStart &&
750                           ExtendAfterOp->getStepRecurrence(SE) == ExtendedStep;
751
752       if (NoSignedWrap)
753         return true;
754     }
755
756     // We may have proved this when computing the sign extension above.
757     return AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW) != SCEV::FlagAnyWrap;
758   };
759
760   auto IsInductionVar = [&](const SCEVAddRecExpr *AR, bool &IsIncreasing) {
761     if (!AR->isAffine())
762       return false;
763
764     // Currently we only work with induction variables that have been proved to
765     // not wrap.  This restriction can potentially be lifted in the future.
766
767     if (!HasNoSignedWrap(AR))
768       return false;
769
770     if (const SCEVConstant *StepExpr =
771             dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(SE))) {
772       ConstantInt *StepCI = StepExpr->getValue();
773       if (StepCI->isOne() || StepCI->isMinusOne()) {
774         IsIncreasing = StepCI->isOne();
775         return true;
776       }
777     }
778
779     return false;
780   };
781
782   // `ICI` is interpreted as taking the backedge if the *next* value of the
783   // induction variable satisfies some constraint.
784
785   const SCEVAddRecExpr *IndVarNext = cast<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV);
786   bool IsIncreasing = false;
787   if (!IsInductionVar(IndVarNext, IsIncreasing)) {
788     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
789     return None;
790   }
791
792   ConstantInt *One = ConstantInt::get(IndVarTy, 1);
793   // TODO: generalize the predicates here to also match their unsigned variants.
794   if (IsIncreasing) {
795     bool FoundExpectedPred =
796         (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT && LatchBrExitIdx == 1) ||
797         (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT && LatchBrExitIdx == 0);
798
799     if (!FoundExpectedPred) {
800       FailureReason = "expected icmp slt semantically, found something else";
801       return None;
802     }
803
804     if (LatchBrExitIdx == 0) {
805       if (CanBeSMax(SE, RightSCEV)) {
806         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
807         // remember that the icmp was an slt and not an sle.
808         FailureReason = "limit may overflow when coercing sle to slt";
809         return None;
810       }
811
812       IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
813       RightValue = B.CreateAdd(RightValue, One);
814     }
815
816   } else {
817     bool FoundExpectedPred =
818         (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT && LatchBrExitIdx == 1) ||
819         (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT && LatchBrExitIdx == 0);
820
821     if (!FoundExpectedPred) {
822       FailureReason = "expected icmp sgt semantically, found something else";
823       return None;
824     }
825
826     if (LatchBrExitIdx == 0) {
827       if (CanBeSMin(SE, RightSCEV)) {
828         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
829         // remember that the icmp was an sgt and not an sge.
830         FailureReason = "limit may overflow when coercing sge to sgt";
831         return None;
832       }
833
834       IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
835       RightValue = B.CreateSub(RightValue, One);
836     }
837   }
838
839   const SCEV *StartNext = IndVarNext->getStart();
840   const SCEV *Addend = SE.getNegativeSCEV(IndVarNext->getStepRecurrence(SE));
841   const SCEV *IndVarStart = SE.getAddExpr(StartNext, Addend);
842
843   BasicBlock *LatchExit = LatchBr->getSuccessor(LatchBrExitIdx);
844
845   assert(SE.getLoopDisposition(LatchCount, &L) ==
846              ScalarEvolution::LoopInvariant &&
847          "loop variant exit count doesn't make sense!");
848
849   assert(!L.contains(LatchExit) && "expected an exit block!");
850   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
851   Value *IndVarStartV =
852       SCEVExpander(SE, DL, "irce")
853           .expandCodeFor(IndVarStart, IndVarTy, Preheader->getTerminator());
854   IndVarStartV->setName("indvar.start");
855
856   LoopStructure Result;
857
858   Result.Tag = "main";
859   Result.Header = Header;
860   Result.Latch = Latch;
861   Result.LatchBr = LatchBr;
862   Result.LatchExit = LatchExit;
863   Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
864   Result.IndVarStart = IndVarStartV;
865   Result.IndVarNext = LeftValue;
866   Result.IndVarIncreasing = IsIncreasing;
867   Result.LoopExitAt = RightValue;
868
869   FailureReason = nullptr;
870
871   return Result;
872 }
873
874 Optional<LoopConstrainer::SubRanges>
875 LoopConstrainer::calculateSubRanges() const {
876   IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(LatchTakenCount->getType());
877
878   if (Range.getType() != Ty)
879     return None;
880
881   LoopConstrainer::SubRanges Result;
882
883   // I think we can be more aggressive here and make this nuw / nsw if the
884   // addition that feeds into the icmp for the latch's terminating branch is nuw
885   // / nsw.  In any case, a wrapping 2's complement addition is safe.
886   ConstantInt *One = ConstantInt::get(Ty, 1);
887   const SCEV *Start = SE.getSCEV(MainLoopStructure.IndVarStart);
888   const SCEV *End = SE.getSCEV(MainLoopStructure.LoopExitAt);
889
890   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
891
892   // We compute `Smallest` and `Greatest` such that [Smallest, Greatest) is the
893   // range of values the induction variable takes.
894
895   const SCEV *Smallest = nullptr, *Greatest = nullptr;
896
897   if (Increasing) {
898     Smallest = Start;
899     Greatest = End;
900   } else {
901     // These two computations may sign-overflow.  Here is why that is okay:
902     //
903     // We know that the induction variable does not sign-overflow on any
904     // iteration except the last one, and it starts at `Start` and ends at
905     // `End`, decrementing by one every time.
906     //
907     //  * if `Smallest` sign-overflows we know `End` is `INT_SMAX`. Since the
908     //    induction variable is decreasing we know that that the smallest value
909     //    the loop body is actually executed with is `INT_SMIN` == `Smallest`.
910     //
911     //  * if `Greatest` sign-overflows, we know it can only be `INT_SMIN`.  In
912     //    that case, `Clamp` will always return `Smallest` and
913     //    [`Result.LowLimit`, `Result.HighLimit`) = [`Smallest`, `Smallest`)
914     //    will be an empty range.  Returning an empty range is always safe.
915     //
916
917     Smallest = SE.getAddExpr(End, SE.getSCEV(One));
918     Greatest = SE.getAddExpr(Start, SE.getSCEV(One));
919   }
920
921   auto Clamp = [this, Smallest, Greatest](const SCEV *S) {
922     return SE.getSMaxExpr(Smallest, SE.getSMinExpr(Greatest, S));
923   };
924
925   // In some cases we can prove that we don't need a pre or post loop
926
927   bool ProvablyNoPreloop =
928       SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, Range.getBegin(), Smallest);
929   if (!ProvablyNoPreloop)
930     Result.LowLimit = Clamp(Range.getBegin());
931
932   bool ProvablyNoPostLoop =
933       SE.isKnownPredicate(ICmpInst::ICMP_SLE, Greatest, Range.getEnd());
934   if (!ProvablyNoPostLoop)
935     Result.HighLimit = Clamp(Range.getEnd());
936
937   return Result;
938 }
939
940 void LoopConstrainer::cloneLoop(LoopConstrainer::ClonedLoop &Result,
941                                 const char *Tag) const {
942   for (BasicBlock *BB : OriginalLoop.getBlocks()) {
943     BasicBlock *Clone = CloneBasicBlock(BB, Result.Map, Twine(".") + Tag, &F);
944     Result.Blocks.push_back(Clone);
945     Result.Map[BB] = Clone;
946   }
947
948   auto GetClonedValue = [&Result](Value *V) {
949     assert(V && "null values not in domain!");
950     auto It = Result.Map.find(V);
951     if (It == Result.Map.end())
952       return V;
953     return static_cast<Value *>(It->second);
954   };
955
956   auto *ClonedLatch =
957       cast<BasicBlock>(GetClonedValue(OriginalLoop.getLoopLatch()));
958   ClonedLatch->getTerminator()->setMetadata(ClonedLoopTag,
959                                             MDNode::get(Ctx, {}));
960
961   Result.Structure = MainLoopStructure.map(GetClonedValue);
962   Result.Structure.Tag = Tag;
963
964   for (unsigned i = 0, e = Result.Blocks.size(); i != e; ++i) {
965     BasicBlock *ClonedBB = Result.Blocks[i];
966     BasicBlock *OriginalBB = OriginalLoop.getBlocks()[i];
967
968     assert(Result.Map[OriginalBB] == ClonedBB && "invariant!");
969
970     for (Instruction &I : *ClonedBB)
971       RemapInstruction(&I, Result.Map,
972                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingLocals);
973
974     // Exit blocks will now have one more predecessor and their PHI nodes need
975     // to be edited to reflect that.  No phi nodes need to be introduced because
976     // the loop is in LCSSA.
977
978     for (auto *SBB : successors(OriginalBB)) {
979       if (OriginalLoop.contains(SBB))
980         continue; // not an exit block
981
982       for (Instruction &I : *SBB) {
983         auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
984         if (!PN)
985           break;
986
987         Value *OldIncoming = PN->getIncomingValueForBlock(OriginalBB);
988         PN->addIncoming(GetClonedValue(OldIncoming), ClonedBB);
989       }
990     }
991   }
992 }
993
994 LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo LoopConstrainer::changeIterationSpaceEnd(
995     const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader, Value *ExitSubloopAt,
996     BasicBlock *ContinuationBlock) const {
997
998   // We start with a loop with a single latch:
999   //
1000   //    +--------------------+
1001   //    |                    |
1002   //    |     preheader      |
1003   //    |                    |
1004   //    +--------+-----------+
1005   //             |      ----------------\
1006   //             |     /                |
1007   //    +--------v----v------+          |
1008   //    |                    |          |
1009   //    |      header        |          |
1010   //    |                    |          |
1011   //    +--------------------+          |
1012   //                                    |
1013   //            .....                   |
1014   //                                    |
1015   //    +--------------------+          |
1016   //    |                    |          |
1017   //    |       latch        >----------/
1018   //    |                    |
1019   //    +-------v------------+
1020   //            |
1021   //            |
1022   //            |   +--------------------+
1023   //            |   |                    |
1024   //            +--->   original exit    |
1025   //                |                    |
1026   //                +--------------------+
1027   //
1028   // We change the control flow to look like
1029   //
1030   //
1031   //    +--------------------+
1032   //    |                    |
1033   //    |     preheader      >-------------------------+
1034   //    |                    |                         |
1035   //    +--------v-----------+                         |
1036   //             |    /-------------+                  |
1037   //             |   /              |                  |
1038   //    +--------v--v--------+      |                  |
1039   //    |                    |      |                  |
1040   //    |      header        |      |   +--------+     |
1041   //    |                    |      |   |        |     |
1042   //    +--------------------+      |   |  +-----v-----v-----------+
1043   //                                |   |  |                       |
1044   //                                |   |  |     .pseudo.exit      |
1045   //                                |   |  |                       |
1046   //                                |   |  +-----------v-----------+
1047   //                                |   |              |
1048   //            .....               |   |              |
1049   //                                |   |     +--------v-------------+
1050   //    +--------------------+      |   |     |                      |
1051   //    |                    |      |   |     |   ContinuationBlock  |
1052   //    |       latch        >------+   |     |                      |
1053   //    |                    |          |     +----------------------+
1054   //    +---------v----------+          |
1055   //              |                     |
1056   //              |                     |
1057   //              |     +---------------^-----+
1058   //              |     |                     |
1059   //              +----->    .exit.selector   |
1060   //                    |                     |
1061   //                    +----------v----------+
1062   //                               |
1063   //     +--------------------+    |
1064   //     |                    |    |
1065   //     |   original exit    <----+
1066   //     |                    |
1067   //     +--------------------+
1068   //
1069
1070   RewrittenRangeInfo RRI;
1071
1072   BasicBlock *BBInsertLocation = LS.Latch->getNextNode();
1073   RRI.ExitSelector = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".exit.selector",
1074                                         &F, BBInsertLocation);
1075   RRI.PseudoExit = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".pseudo.exit", &F,
1076                                       BBInsertLocation);
1077
1078   BranchInst *PreheaderJump = cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
1079   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1080
1081   IRBuilder<> B(PreheaderJump);
1082
1083   // EnterLoopCond - is it okay to start executing this `LS'?
1084   Value *EnterLoopCond = Increasing
1085                              ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt)
1086                              : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1087
1088   B.CreateCondBr(EnterLoopCond, LS.Header, RRI.PseudoExit);
1089   PreheaderJump->eraseFromParent();
1090
1091   LS.LatchBr->setSuccessor(LS.LatchBrExitIdx, RRI.ExitSelector);
1092   B.SetInsertPoint(LS.LatchBr);
1093   Value *TakeBackedgeLoopCond =
1094       Increasing ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarNext, ExitSubloopAt)
1095                  : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarNext, ExitSubloopAt);
1096   Value *CondForBranch = LS.LatchBrExitIdx == 1
1097                              ? TakeBackedgeLoopCond
1098                              : B.CreateNot(TakeBackedgeLoopCond);
1099
1100   LS.LatchBr->setCondition(CondForBranch);
1101
1102   B.SetInsertPoint(RRI.ExitSelector);
1103
1104   // IterationsLeft - are there any more iterations left, given the original
1105   // upper bound on the induction variable?  If not, we branch to the "real"
1106   // exit.
1107   Value *IterationsLeft = Increasing
1108                               ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarNext, LS.LoopExitAt)
1109                               : B.CreateICmpSGT(LS.IndVarNext, LS.LoopExitAt);
1110   B.CreateCondBr(IterationsLeft, RRI.PseudoExit, LS.LatchExit);
1111
1112   BranchInst *BranchToContinuation =
1113       BranchInst::Create(ContinuationBlock, RRI.PseudoExit);
1114
1115   // We emit PHI nodes into `RRI.PseudoExit' that compute the "latest" value of
1116   // each of the PHI nodes in the loop header.  This feeds into the initial
1117   // value of the same PHI nodes if/when we continue execution.
1118   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1119     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1120     if (!PN)
1121       break;
1122
1123     PHINode *NewPHI = PHINode::Create(PN->getType(), 2, PN->getName() + ".copy",
1124                                       BranchToContinuation);
1125
1126     NewPHI->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader), Preheader);
1127     NewPHI->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(LS.Latch),
1128                         RRI.ExitSelector);
1129     RRI.PHIValuesAtPseudoExit.push_back(NewPHI);
1130   }
1131
1132   RRI.IndVarEnd = PHINode::Create(LS.IndVarNext->getType(), 2, "indvar.end",
1133                                   BranchToContinuation);
1134   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarStart, Preheader);
1135   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarNext, RRI.ExitSelector);
1136
1137   // The latch exit now has a branch from `RRI.ExitSelector' instead of
1138   // `LS.Latch'.  The PHI nodes need to be updated to reflect that.
1139   for (Instruction &I : *LS.LatchExit) {
1140     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&I))
1141       replacePHIBlock(PN, LS.Latch, RRI.ExitSelector);
1142     else
1143       break;
1144   }
1145
1146   return RRI;
1147 }
1148
1149 void LoopConstrainer::rewriteIncomingValuesForPHIs(
1150     LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlock,
1151     const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const {
1152
1153   unsigned PHIIndex = 0;
1154   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1155     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1156     if (!PN)
1157       break;
1158
1159     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1160       if (PN->getIncomingBlock(i) == ContinuationBlock)
1161         PN->setIncomingValue(i, RRI.PHIValuesAtPseudoExit[PHIIndex++]);
1162   }
1163
1164   LS.IndVarStart = RRI.IndVarEnd;
1165 }
1166
1167 BasicBlock *LoopConstrainer::createPreheader(const LoopStructure &LS,
1168                                              BasicBlock *OldPreheader,
1169                                              const char *Tag) const {
1170
1171   BasicBlock *Preheader = BasicBlock::Create(Ctx, Tag, &F, LS.Header);
1172   BranchInst::Create(LS.Header, Preheader);
1173
1174   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1175     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1176     if (!PN)
1177       break;
1178
1179     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1180       replacePHIBlock(PN, OldPreheader, Preheader);
1181   }
1182
1183   return Preheader;
1184 }
1185
1186 void LoopConstrainer::addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs) {
1187   Loop *ParentLoop = OriginalLoop.getParentLoop();
1188   if (!ParentLoop)
1189     return;
1190
1191   for (BasicBlock *BB : BBs)
1192     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(BB, LI);
1193 }
1194
1195 Loop *LoopConstrainer::createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
1196                                                  ValueToValueMapTy &VM) {
1197   Loop &New = LPM.addLoop(Parent);
1198
1199   // Add all of the blocks in Original to the new loop.
1200   for (auto *BB : Original->blocks())
1201     if (LI.getLoopFor(BB) == Original)
1202       New.addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[BB]), LI);
1203
1204   // Add all of the subloops to the new loop.
1205   for (Loop *SubLoop : *Original)
1206     createClonedLoopStructure(SubLoop, &New, VM);
1207
1208   return &New;
1209 }
1210
1211 bool LoopConstrainer::run() {
1212   BasicBlock *Preheader = nullptr;
1213   LatchTakenCount = SE.getExitCount(&OriginalLoop, MainLoopStructure.Latch);
1214   Preheader = OriginalLoop.getLoopPreheader();
1215   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchTakenCount) && Preheader != nullptr &&
1216          "preconditions!");
1217
1218   OriginalPreheader = Preheader;
1219   MainLoopPreheader = Preheader;
1220
1221   Optional<SubRanges> MaybeSR = calculateSubRanges();
1222   if (!MaybeSR.hasValue()) {
1223     DEBUG(dbgs() << "irce: could not compute subranges\n");
1224     return false;
1225   }
1226
1227   SubRanges SR = MaybeSR.getValue();
1228   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1229   IntegerType *IVTy =
1230       cast<IntegerType>(MainLoopStructure.IndVarNext->getType());
1231
1232   SCEVExpander Expander(SE, F.getParent()->getDataLayout(), "irce");
1233   Instruction *InsertPt = OriginalPreheader->getTerminator();
1234
1235   // It would have been better to make `PreLoop' and `PostLoop'
1236   // `Optional<ClonedLoop>'s, but `ValueToValueMapTy' does not have a copy
1237   // constructor.
1238   ClonedLoop PreLoop, PostLoop;
1239   bool NeedsPreLoop =
1240       Increasing ? SR.LowLimit.hasValue() : SR.HighLimit.hasValue();
1241   bool NeedsPostLoop =
1242       Increasing ? SR.HighLimit.hasValue() : SR.LowLimit.hasValue();
1243
1244   Value *ExitPreLoopAt = nullptr;
1245   Value *ExitMainLoopAt = nullptr;
1246   const SCEVConstant *MinusOneS =
1247       cast<SCEVConstant>(SE.getConstant(IVTy, -1, true /* isSigned */));
1248
1249   if (NeedsPreLoop) {
1250     const SCEV *ExitPreLoopAtSCEV = nullptr;
1251
1252     if (Increasing)
1253       ExitPreLoopAtSCEV = *SR.LowLimit;
1254     else {
1255       if (CanBeSMin(SE, *SR.HighLimit)) {
1256         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1257                      << "preloop exit limit.  HighLimit = " << *(*SR.HighLimit)
1258                      << "\n");
1259         return false;
1260       }
1261       ExitPreLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.HighLimit, MinusOneS);
1262     }
1263
1264     ExitPreLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitPreLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1265     ExitPreLoopAt->setName("exit.preloop.at");
1266   }
1267
1268   if (NeedsPostLoop) {
1269     const SCEV *ExitMainLoopAtSCEV = nullptr;
1270
1271     if (Increasing)
1272       ExitMainLoopAtSCEV = *SR.HighLimit;
1273     else {
1274       if (CanBeSMin(SE, *SR.LowLimit)) {
1275         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1276                      << "mainloop exit limit.  LowLimit = " << *(*SR.LowLimit)
1277                      << "\n");
1278         return false;
1279       }
1280       ExitMainLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.LowLimit, MinusOneS);
1281     }
1282
1283     ExitMainLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitMainLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1284     ExitMainLoopAt->setName("exit.mainloop.at");
1285   }
1286
1287   // We clone these ahead of time so that we don't have to deal with changing
1288   // and temporarily invalid IR as we transform the loops.
1289   if (NeedsPreLoop)
1290     cloneLoop(PreLoop, "preloop");
1291   if (NeedsPostLoop)
1292     cloneLoop(PostLoop, "postloop");
1293
1294   RewrittenRangeInfo PreLoopRRI;
1295
1296   if (NeedsPreLoop) {
1297     Preheader->getTerminator()->replaceUsesOfWith(MainLoopStructure.Header,
1298                                                   PreLoop.Structure.Header);
1299
1300     MainLoopPreheader =
1301         createPreheader(MainLoopStructure, Preheader, "mainloop");
1302     PreLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(PreLoop.Structure, Preheader,
1303                                          ExitPreLoopAt, MainLoopPreheader);
1304     rewriteIncomingValuesForPHIs(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1305                                  PreLoopRRI);
1306   }
1307
1308   BasicBlock *PostLoopPreheader = nullptr;
1309   RewrittenRangeInfo PostLoopRRI;
1310
1311   if (NeedsPostLoop) {
1312     PostLoopPreheader =
1313         createPreheader(PostLoop.Structure, Preheader, "postloop");
1314     PostLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1315                                           ExitMainLoopAt, PostLoopPreheader);
1316     rewriteIncomingValuesForPHIs(PostLoop.Structure, PostLoopPreheader,
1317                                  PostLoopRRI);
1318   }
1319
1320   BasicBlock *NewMainLoopPreheader =
1321       MainLoopPreheader != Preheader ? MainLoopPreheader : nullptr;
1322   BasicBlock *NewBlocks[] = {PostLoopPreheader,        PreLoopRRI.PseudoExit,
1323                              PreLoopRRI.ExitSelector,  PostLoopRRI.PseudoExit,
1324                              PostLoopRRI.ExitSelector, NewMainLoopPreheader};
1325
1326   // Some of the above may be nullptr, filter them out before passing to
1327   // addToParentLoopIfNeeded.
1328   auto NewBlocksEnd =
1329       std::remove(std::begin(NewBlocks), std::end(NewBlocks), nullptr);
1330
1331   addToParentLoopIfNeeded(makeArrayRef(std::begin(NewBlocks), NewBlocksEnd));
1332
1333   DT.recalculate(F);
1334
1335   if (!PreLoop.Blocks.empty()) {
1336     auto *L = createClonedLoopStructure(
1337         &OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(), PreLoop.Map);
1338     formLCSSARecursively(*L, DT, &LI, &SE);
1339     simplifyLoop(L, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1340     // Pre loops are slow paths, we do not need to perform any loop
1341     // optimizations on them.
1342     DisableAllLoopOptsOnLoop(*L);
1343   }
1344
1345   if (!PostLoop.Blocks.empty()) {
1346     auto *L = createClonedLoopStructure(
1347         &OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(), PostLoop.Map);
1348     formLCSSARecursively(*L, DT, &LI, &SE);
1349     simplifyLoop(L, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1350     // Post loops are slow paths, we do not need to perform any loop
1351     // optimizations on them.
1352     DisableAllLoopOptsOnLoop(*L);
1353   }
1354
1355   formLCSSARecursively(OriginalLoop, DT, &LI, &SE);
1356   simplifyLoop(&OriginalLoop, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1357
1358   return true;
1359 }
1360
1361 /// Computes and returns a range of values for the induction variable (IndVar)
1362 /// in which the range check can be safely elided.  If it cannot compute such a
1363 /// range, returns None.
1364 Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1365 InductiveRangeCheck::computeSafeIterationSpace(
1366     ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *IndVar) const {
1367   // IndVar is of the form "A + B * I" (where "I" is the canonical induction
1368   // variable, that may or may not exist as a real llvm::Value in the loop) and
1369   // this inductive range check is a range check on the "C + D * I" ("C" is
1370   // getOffset() and "D" is getScale()).  We rewrite the value being range
1371   // checked to "M + N * IndVar" where "N" = "D * B^(-1)" and "M" = "C - NA".
1372   // Currently we support this only for "B" = "D" = { 1 or -1 }, but the code
1373   // can be generalized as needed.
1374   //
1375   // The actual inequalities we solve are of the form
1376   //
1377   //   0 <= M + 1 * IndVar < L given L >= 0  (i.e. N == 1)
1378   //
1379   // The inequality is satisfied by -M <= IndVar < (L - M) [^1].  All additions
1380   // and subtractions are twos-complement wrapping and comparisons are signed.
1381   //
1382   // Proof:
1383   //
1384   //   If there exists IndVar such that -M <= IndVar < (L - M) then it follows
1385   //   that -M <= (-M + L) [== Eq. 1].  Since L >= 0, if (-M + L) sign-overflows
1386   //   then (-M + L) < (-M).  Hence by [Eq. 1], (-M + L) could not have
1387   //   overflown.
1388   //
1389   //   This means IndVar = t + (-M) for t in [0, L).  Hence (IndVar + M) = t.
1390   //   Hence 0 <= (IndVar + M) < L
1391
1392   // [^1]: Note that the solution does _not_ apply if L < 0; consider values M =
1393   // 127, IndVar = 126 and L = -2 in an i8 world.
1394
1395   if (!IndVar->isAffine())
1396     return None;
1397
1398   const SCEV *A = IndVar->getStart();
1399   const SCEVConstant *B = dyn_cast<SCEVConstant>(IndVar->getStepRecurrence(SE));
1400   if (!B)
1401     return None;
1402
1403   const SCEV *C = getOffset();
1404   const SCEVConstant *D = dyn_cast<SCEVConstant>(getScale());
1405   if (D != B)
1406     return None;
1407
1408   ConstantInt *ConstD = D->getValue();
1409   if (!(ConstD->isMinusOne() || ConstD->isOne()))
1410     return None;
1411
1412   const SCEV *M = SE.getMinusSCEV(C, A);
1413
1414   const SCEV *Begin = SE.getNegativeSCEV(M);
1415   const SCEV *UpperLimit = nullptr;
1416
1417   // We strengthen "0 <= I" to "0 <= I < INT_SMAX" and "I < L" to "0 <= I < L".
1418   // We can potentially do much better here.
1419   if (Value *V = getLength()) {
1420     UpperLimit = SE.getSCEV(V);
1421   } else {
1422     assert(Kind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER && "invariant!");
1423     unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndVar->getType())->getBitWidth();
1424     UpperLimit = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
1425   }
1426
1427   const SCEV *End = SE.getMinusSCEV(UpperLimit, M);
1428   return InductiveRangeCheck::Range(Begin, End);
1429 }
1430
1431 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1432 IntersectRange(ScalarEvolution &SE,
1433                const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1434                const InductiveRangeCheck::Range &R2) {
1435   if (!R1.hasValue())
1436     return R2;
1437   auto &R1Value = R1.getValue();
1438
1439   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1440   // bail out to keep things simple.
1441   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1442     return None;
1443
1444   const SCEV *NewBegin = SE.getSMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1445   const SCEV *NewEnd = SE.getSMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1446
1447   return InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1448 }
1449
1450 bool InductiveRangeCheckElimination::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1451   if (skipLoop(L))
1452     return false;
1453
1454   if (L->getBlocks().size() >= LoopSizeCutoff) {
1455     DEBUG(dbgs() << "irce: giving up constraining loop, too large\n";);
1456     return false;
1457   }
1458
1459   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1460   if (!Preheader) {
1461     DEBUG(dbgs() << "irce: loop has no preheader, leaving\n");
1462     return false;
1463   }
1464
1465   LLVMContext &Context = Preheader->getContext();
1466   SmallVector<InductiveRangeCheck, 16> RangeChecks;
1467   ScalarEvolution &SE = getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1468   BranchProbabilityInfo &BPI =
1469       getAnalysis<BranchProbabilityInfoWrapperPass>().getBPI();
1470
1471   for (auto BBI : L->getBlocks())
1472     if (BranchInst *TBI = dyn_cast<BranchInst>(BBI->getTerminator()))
1473       InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(TBI, L, SE, BPI,
1474                                                         RangeChecks);
1475
1476   if (RangeChecks.empty())
1477     return false;
1478
1479   auto PrintRecognizedRangeChecks = [&](raw_ostream &OS) {
1480     OS << "irce: looking at loop "; L->print(OS);
1481     OS << "irce: loop has " << RangeChecks.size()
1482        << " inductive range checks: \n";
1483     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks)
1484       IRC.print(OS);
1485   };
1486
1487   DEBUG(PrintRecognizedRangeChecks(dbgs()));
1488
1489   if (PrintRangeChecks)
1490     PrintRecognizedRangeChecks(errs());
1491
1492   const char *FailureReason = nullptr;
1493   Optional<LoopStructure> MaybeLoopStructure =
1494       LoopStructure::parseLoopStructure(SE, BPI, *L, FailureReason);
1495   if (!MaybeLoopStructure.hasValue()) {
1496     DEBUG(dbgs() << "irce: could not parse loop structure: " << FailureReason
1497                  << "\n";);
1498     return false;
1499   }
1500   LoopStructure LS = MaybeLoopStructure.getValue();
1501   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1502   const SCEV *MinusOne =
1503       SE.getConstant(LS.IndVarNext->getType(), Increasing ? -1 : 1, true);
1504   const SCEVAddRecExpr *IndVar =
1505       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getAddExpr(SE.getSCEV(LS.IndVarNext), MinusOne));
1506
1507   Optional<InductiveRangeCheck::Range> SafeIterRange;
1508   Instruction *ExprInsertPt = Preheader->getTerminator();
1509
1510   SmallVector<InductiveRangeCheck, 4> RangeChecksToEliminate;
1511
1512   IRBuilder<> B(ExprInsertPt);
1513   for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks) {
1514     auto Result = IRC.computeSafeIterationSpace(SE, IndVar);
1515     if (Result.hasValue()) {
1516       auto MaybeSafeIterRange =
1517           IntersectRange(SE, SafeIterRange, Result.getValue());
1518       if (MaybeSafeIterRange.hasValue()) {
1519         RangeChecksToEliminate.push_back(IRC);
1520         SafeIterRange = MaybeSafeIterRange.getValue();
1521       }
1522     }
1523   }
1524
1525   if (!SafeIterRange.hasValue())
1526     return false;
1527
1528   auto &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1529   LoopConstrainer LC(*L, getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo(), LPM,
1530                      LS, SE, DT, SafeIterRange.getValue());
1531   bool Changed = LC.run();
1532
1533   if (Changed) {
1534     auto PrintConstrainedLoopInfo = [L]() {
1535       dbgs() << "irce: in function ";
1536       dbgs() << L->getHeader()->getParent()->getName() << ": ";
1537       dbgs() << "constrained ";
1538       L->print(dbgs());
1539     };
1540
1541     DEBUG(PrintConstrainedLoopInfo());
1542
1543     if (PrintChangedLoops)
1544       PrintConstrainedLoopInfo();
1545
1546     // Optimize away the now-redundant range checks.
1547
1548     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecksToEliminate) {
1549       ConstantInt *FoldedRangeCheck = IRC.getPassingDirection()
1550                                           ? ConstantInt::getTrue(Context)
1551                                           : ConstantInt::getFalse(Context);
1552       IRC.getCheckUse()->set(FoldedRangeCheck);
1553     }
1554   }
1555
1556   return Changed;
1557 }
1558
1559 Pass *llvm::createInductiveRangeCheckEliminationPass() {
1560   return new InductiveRangeCheckElimination;
1561 }