]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/LoopIdiomRecognize.cpp
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[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / Scalar / LoopIdiomRecognize.cpp
1 //===-- LoopIdiomRecognize.cpp - Loop idiom recognition -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass implements an idiom recognizer that transforms simple loops into a
11 // non-loop form.  In cases that this kicks in, it can be a significant
12 // performance win.
13 //
14 // If compiling for code size we avoid idiom recognition if the resulting
15 // code could be larger than the code for the original loop. One way this could
16 // happen is if the loop is not removable after idiom recognition due to the
17 // presence of non-idiom instructions. The initial implementation of the
18 // heuristics applies to idioms in multi-block loops.
19 //
20 //===----------------------------------------------------------------------===//
21 //
22 // TODO List:
23 //
24 // Future loop memory idioms to recognize:
25 //   memcmp, memmove, strlen, etc.
26 // Future floating point idioms to recognize in -ffast-math mode:
27 //   fpowi
28 // Future integer operation idioms to recognize:
29 //   ctpop, ctlz, cttz
30 //
31 // Beware that isel's default lowering for ctpop is highly inefficient for
32 // i64 and larger types when i64 is legal and the value has few bits set.  It
33 // would be good to enhance isel to emit a loop for ctpop in this case.
34 //
35 // This could recognize common matrix multiplies and dot product idioms and
36 // replace them with calls to BLAS (if linked in??).
37 //
38 //===----------------------------------------------------------------------===//
39
40 #include "llvm/Transforms/Scalar/LoopIdiomRecognize.h"
41 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
42 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
45 #include "llvm/Analysis/BasicAliasAnalysis.h"
46 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
47 #include "llvm/Analysis/LoopAccessAnalysis.h"
48 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
49 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
50 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
52 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
53 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
54 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
55 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
56 #include "llvm/IR/Dominators.h"
57 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
58 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
59 #include "llvm/IR/Module.h"
60 #include "llvm/Support/Debug.h"
61 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
62 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
63 #include "llvm/Transforms/Scalar/LoopPassManager.h"
64 #include "llvm/Transforms/Utils/BuildLibCalls.h"
65 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
66 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
67 using namespace llvm;
68
69 #define DEBUG_TYPE "loop-idiom"
70
71 STATISTIC(NumMemSet, "Number of memset's formed from loop stores");
72 STATISTIC(NumMemCpy, "Number of memcpy's formed from loop load+stores");
73
74 static cl::opt<bool> UseLIRCodeSizeHeurs(
75     "use-lir-code-size-heurs",
76     cl::desc("Use loop idiom recognition code size heuristics when compiling"
77              "with -Os/-Oz"),
78     cl::init(true), cl::Hidden);
79
80 namespace {
81
82 class LoopIdiomRecognize {
83   Loop *CurLoop;
84   AliasAnalysis *AA;
85   DominatorTree *DT;
86   LoopInfo *LI;
87   ScalarEvolution *SE;
88   TargetLibraryInfo *TLI;
89   const TargetTransformInfo *TTI;
90   const DataLayout *DL;
91   bool ApplyCodeSizeHeuristics;
92
93 public:
94   explicit LoopIdiomRecognize(AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT,
95                               LoopInfo *LI, ScalarEvolution *SE,
96                               TargetLibraryInfo *TLI,
97                               const TargetTransformInfo *TTI,
98                               const DataLayout *DL)
99       : CurLoop(nullptr), AA(AA), DT(DT), LI(LI), SE(SE), TLI(TLI), TTI(TTI),
100         DL(DL) {}
101
102   bool runOnLoop(Loop *L);
103
104 private:
105   typedef SmallVector<StoreInst *, 8> StoreList;
106   typedef MapVector<Value *, StoreList> StoreListMap;
107   StoreListMap StoreRefsForMemset;
108   StoreListMap StoreRefsForMemsetPattern;
109   StoreList StoreRefsForMemcpy;
110   bool HasMemset;
111   bool HasMemsetPattern;
112   bool HasMemcpy;
113
114   /// \name Countable Loop Idiom Handling
115   /// @{
116
117   bool runOnCountableLoop();
118   bool runOnLoopBlock(BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
119                       SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks);
120
121   void collectStores(BasicBlock *BB);
122   bool isLegalStore(StoreInst *SI, bool &ForMemset, bool &ForMemsetPattern,
123                     bool &ForMemcpy);
124   bool processLoopStores(SmallVectorImpl<StoreInst *> &SL, const SCEV *BECount,
125                          bool ForMemset);
126   bool processLoopMemSet(MemSetInst *MSI, const SCEV *BECount);
127
128   bool processLoopStridedStore(Value *DestPtr, unsigned StoreSize,
129                                unsigned StoreAlignment, Value *StoredVal,
130                                Instruction *TheStore,
131                                SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Stores,
132                                const SCEVAddRecExpr *Ev, const SCEV *BECount,
133                                bool NegStride, bool IsLoopMemset = false);
134   bool processLoopStoreOfLoopLoad(StoreInst *SI, const SCEV *BECount);
135   bool avoidLIRForMultiBlockLoop(bool IsMemset = false,
136                                  bool IsLoopMemset = false);
137
138   /// @}
139   /// \name Noncountable Loop Idiom Handling
140   /// @{
141
142   bool runOnNoncountableLoop();
143
144   bool recognizePopcount();
145   void transformLoopToPopcount(BasicBlock *PreCondBB, Instruction *CntInst,
146                                PHINode *CntPhi, Value *Var);
147   bool recognizeAndInsertCTLZ();
148   void transformLoopToCountable(BasicBlock *PreCondBB, Instruction *CntInst,
149                                 PHINode *CntPhi, Value *Var, const DebugLoc DL,
150                                 bool ZeroCheck, bool IsCntPhiUsedOutsideLoop);
151
152   /// @}
153 };
154
155 class LoopIdiomRecognizeLegacyPass : public LoopPass {
156 public:
157   static char ID;
158   explicit LoopIdiomRecognizeLegacyPass() : LoopPass(ID) {
159     initializeLoopIdiomRecognizeLegacyPassPass(
160         *PassRegistry::getPassRegistry());
161   }
162
163   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override {
164     if (skipLoop(L))
165       return false;
166
167     AliasAnalysis *AA = &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults();
168     DominatorTree *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
169     LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
170     ScalarEvolution *SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
171     TargetLibraryInfo *TLI =
172         &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
173     const TargetTransformInfo *TTI =
174         &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
175             *L->getHeader()->getParent());
176     const DataLayout *DL = &L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
177
178     LoopIdiomRecognize LIR(AA, DT, LI, SE, TLI, TTI, DL);
179     return LIR.runOnLoop(L);
180   }
181
182   /// This transformation requires natural loop information & requires that
183   /// loop preheaders be inserted into the CFG.
184   ///
185   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
186     AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
187     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
188     getLoopAnalysisUsage(AU);
189   }
190 };
191 } // End anonymous namespace.
192
193 PreservedAnalyses LoopIdiomRecognizePass::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM,
194                                               LoopStandardAnalysisResults &AR,
195                                               LPMUpdater &) {
196   const auto *DL = &L.getHeader()->getModule()->getDataLayout();
197
198   LoopIdiomRecognize LIR(&AR.AA, &AR.DT, &AR.LI, &AR.SE, &AR.TLI, &AR.TTI, DL);
199   if (!LIR.runOnLoop(&L))
200     return PreservedAnalyses::all();
201
202   return getLoopPassPreservedAnalyses();
203 }
204
205 char LoopIdiomRecognizeLegacyPass::ID = 0;
206 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopIdiomRecognizeLegacyPass, "loop-idiom",
207                       "Recognize loop idioms", false, false)
208 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
209 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
210 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
211 INITIALIZE_PASS_END(LoopIdiomRecognizeLegacyPass, "loop-idiom",
212                     "Recognize loop idioms", false, false)
213
214 Pass *llvm::createLoopIdiomPass() { return new LoopIdiomRecognizeLegacyPass(); }
215
216 static void deleteDeadInstruction(Instruction *I) {
217   I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
218   I->eraseFromParent();
219 }
220
221 //===----------------------------------------------------------------------===//
222 //
223 //          Implementation of LoopIdiomRecognize
224 //
225 //===----------------------------------------------------------------------===//
226
227 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoop(Loop *L) {
228   CurLoop = L;
229   // If the loop could not be converted to canonical form, it must have an
230   // indirectbr in it, just give up.
231   if (!L->getLoopPreheader())
232     return false;
233
234   // Disable loop idiom recognition if the function's name is a common idiom.
235   StringRef Name = L->getHeader()->getParent()->getName();
236   if (Name == "memset" || Name == "memcpy")
237     return false;
238
239   // Determine if code size heuristics need to be applied.
240   ApplyCodeSizeHeuristics =
241       L->getHeader()->getParent()->optForSize() && UseLIRCodeSizeHeurs;
242
243   HasMemset = TLI->has(LibFunc_memset);
244   HasMemsetPattern = TLI->has(LibFunc_memset_pattern16);
245   HasMemcpy = TLI->has(LibFunc_memcpy);
246
247   if (HasMemset || HasMemsetPattern || HasMemcpy)
248     if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L))
249       return runOnCountableLoop();
250
251   return runOnNoncountableLoop();
252 }
253
254 bool LoopIdiomRecognize::runOnCountableLoop() {
255   const SCEV *BECount = SE->getBackedgeTakenCount(CurLoop);
256   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(BECount) &&
257          "runOnCountableLoop() called on a loop without a predictable"
258          "backedge-taken count");
259
260   // If this loop executes exactly one time, then it should be peeled, not
261   // optimized by this pass.
262   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
263     if (BECst->getAPInt() == 0)
264       return false;
265
266   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
267   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
268
269   DEBUG(dbgs() << "loop-idiom Scanning: F["
270                << CurLoop->getHeader()->getParent()->getName() << "] Loop %"
271                << CurLoop->getHeader()->getName() << "\n");
272
273   bool MadeChange = false;
274
275   // The following transforms hoist stores/memsets into the loop pre-header.
276   // Give up if the loop has instructions may throw.
277   LoopSafetyInfo SafetyInfo;
278   computeLoopSafetyInfo(&SafetyInfo, CurLoop);
279   if (SafetyInfo.MayThrow)
280     return MadeChange;
281
282   // Scan all the blocks in the loop that are not in subloops.
283   for (auto *BB : CurLoop->getBlocks()) {
284     // Ignore blocks in subloops.
285     if (LI->getLoopFor(BB) != CurLoop)
286       continue;
287
288     MadeChange |= runOnLoopBlock(BB, BECount, ExitBlocks);
289   }
290   return MadeChange;
291 }
292
293 static unsigned getStoreSizeInBytes(StoreInst *SI, const DataLayout *DL) {
294   uint64_t SizeInBits = DL->getTypeSizeInBits(SI->getValueOperand()->getType());
295   assert(((SizeInBits & 7) || (SizeInBits >> 32) == 0) &&
296          "Don't overflow unsigned.");
297   return (unsigned)SizeInBits >> 3;
298 }
299
300 static APInt getStoreStride(const SCEVAddRecExpr *StoreEv) {
301   const SCEVConstant *ConstStride = cast<SCEVConstant>(StoreEv->getOperand(1));
302   return ConstStride->getAPInt();
303 }
304
305 /// getMemSetPatternValue - If a strided store of the specified value is safe to
306 /// turn into a memset_pattern16, return a ConstantArray of 16 bytes that should
307 /// be passed in.  Otherwise, return null.
308 ///
309 /// Note that we don't ever attempt to use memset_pattern8 or 4, because these
310 /// just replicate their input array and then pass on to memset_pattern16.
311 static Constant *getMemSetPatternValue(Value *V, const DataLayout *DL) {
312   // If the value isn't a constant, we can't promote it to being in a constant
313   // array.  We could theoretically do a store to an alloca or something, but
314   // that doesn't seem worthwhile.
315   Constant *C = dyn_cast<Constant>(V);
316   if (!C)
317     return nullptr;
318
319   // Only handle simple values that are a power of two bytes in size.
320   uint64_t Size = DL->getTypeSizeInBits(V->getType());
321   if (Size == 0 || (Size & 7) || (Size & (Size - 1)))
322     return nullptr;
323
324   // Don't care enough about darwin/ppc to implement this.
325   if (DL->isBigEndian())
326     return nullptr;
327
328   // Convert to size in bytes.
329   Size /= 8;
330
331   // TODO: If CI is larger than 16-bytes, we can try slicing it in half to see
332   // if the top and bottom are the same (e.g. for vectors and large integers).
333   if (Size > 16)
334     return nullptr;
335
336   // If the constant is exactly 16 bytes, just use it.
337   if (Size == 16)
338     return C;
339
340   // Otherwise, we'll use an array of the constants.
341   unsigned ArraySize = 16 / Size;
342   ArrayType *AT = ArrayType::get(V->getType(), ArraySize);
343   return ConstantArray::get(AT, std::vector<Constant *>(ArraySize, C));
344 }
345
346 bool LoopIdiomRecognize::isLegalStore(StoreInst *SI, bool &ForMemset,
347                                       bool &ForMemsetPattern, bool &ForMemcpy) {
348   // Don't touch volatile stores.
349   if (!SI->isSimple())
350     return false;
351
352   // Don't convert stores of non-integral pointer types to memsets (which stores
353   // integers).
354   if (DL->isNonIntegralPointerType(SI->getValueOperand()->getType()))
355     return false;
356
357   // Avoid merging nontemporal stores.
358   if (SI->getMetadata(LLVMContext::MD_nontemporal))
359     return false;
360
361   Value *StoredVal = SI->getValueOperand();
362   Value *StorePtr = SI->getPointerOperand();
363
364   // Reject stores that are so large that they overflow an unsigned.
365   uint64_t SizeInBits = DL->getTypeSizeInBits(StoredVal->getType());
366   if ((SizeInBits & 7) || (SizeInBits >> 32) != 0)
367     return false;
368
369   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
370   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
371   // random store we can't handle.
372   const SCEVAddRecExpr *StoreEv =
373       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(StorePtr));
374   if (!StoreEv || StoreEv->getLoop() != CurLoop || !StoreEv->isAffine())
375     return false;
376
377   // Check to see if we have a constant stride.
378   if (!isa<SCEVConstant>(StoreEv->getOperand(1)))
379     return false;
380
381   // See if the store can be turned into a memset.
382
383   // If the stored value is a byte-wise value (like i32 -1), then it may be
384   // turned into a memset of i8 -1, assuming that all the consecutive bytes
385   // are stored.  A store of i32 0x01020304 can never be turned into a memset,
386   // but it can be turned into memset_pattern if the target supports it.
387   Value *SplatValue = isBytewiseValue(StoredVal);
388   Constant *PatternValue = nullptr;
389
390   // If we're allowed to form a memset, and the stored value would be
391   // acceptable for memset, use it.
392   if (HasMemset && SplatValue &&
393       // Verify that the stored value is loop invariant.  If not, we can't
394       // promote the memset.
395       CurLoop->isLoopInvariant(SplatValue)) {
396     // It looks like we can use SplatValue.
397     ForMemset = true;
398     return true;
399   } else if (HasMemsetPattern &&
400              // Don't create memset_pattern16s with address spaces.
401              StorePtr->getType()->getPointerAddressSpace() == 0 &&
402              (PatternValue = getMemSetPatternValue(StoredVal, DL))) {
403     // It looks like we can use PatternValue!
404     ForMemsetPattern = true;
405     return true;
406   }
407
408   // Otherwise, see if the store can be turned into a memcpy.
409   if (HasMemcpy) {
410     // Check to see if the stride matches the size of the store.  If so, then we
411     // know that every byte is touched in the loop.
412     APInt Stride = getStoreStride(StoreEv);
413     unsigned StoreSize = getStoreSizeInBytes(SI, DL);
414     if (StoreSize != Stride && StoreSize != -Stride)
415       return false;
416
417     // The store must be feeding a non-volatile load.
418     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(SI->getValueOperand());
419     if (!LI || !LI->isSimple())
420       return false;
421
422     // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
423     // loop, which indicates a strided load.  If we have something else, it's a
424     // random load we can't handle.
425     const SCEVAddRecExpr *LoadEv =
426         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(LI->getPointerOperand()));
427     if (!LoadEv || LoadEv->getLoop() != CurLoop || !LoadEv->isAffine())
428       return false;
429
430     // The store and load must share the same stride.
431     if (StoreEv->getOperand(1) != LoadEv->getOperand(1))
432       return false;
433
434     // Success.  This store can be converted into a memcpy.
435     ForMemcpy = true;
436     return true;
437   }
438   // This store can't be transformed into a memset/memcpy.
439   return false;
440 }
441
442 void LoopIdiomRecognize::collectStores(BasicBlock *BB) {
443   StoreRefsForMemset.clear();
444   StoreRefsForMemsetPattern.clear();
445   StoreRefsForMemcpy.clear();
446   for (Instruction &I : *BB) {
447     StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&I);
448     if (!SI)
449       continue;
450
451     bool ForMemset = false;
452     bool ForMemsetPattern = false;
453     bool ForMemcpy = false;
454     // Make sure this is a strided store with a constant stride.
455     if (!isLegalStore(SI, ForMemset, ForMemsetPattern, ForMemcpy))
456       continue;
457
458     // Save the store locations.
459     if (ForMemset) {
460       // Find the base pointer.
461       Value *Ptr = GetUnderlyingObject(SI->getPointerOperand(), *DL);
462       StoreRefsForMemset[Ptr].push_back(SI);
463     } else if (ForMemsetPattern) {
464       // Find the base pointer.
465       Value *Ptr = GetUnderlyingObject(SI->getPointerOperand(), *DL);
466       StoreRefsForMemsetPattern[Ptr].push_back(SI);
467     } else if (ForMemcpy)
468       StoreRefsForMemcpy.push_back(SI);
469   }
470 }
471
472 /// runOnLoopBlock - Process the specified block, which lives in a counted loop
473 /// with the specified backedge count.  This block is known to be in the current
474 /// loop and not in any subloops.
475 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoopBlock(
476     BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
477     SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks) {
478   // We can only promote stores in this block if they are unconditionally
479   // executed in the loop.  For a block to be unconditionally executed, it has
480   // to dominate all the exit blocks of the loop.  Verify this now.
481   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
482     if (!DT->dominates(BB, ExitBlocks[i]))
483       return false;
484
485   bool MadeChange = false;
486   // Look for store instructions, which may be optimized to memset/memcpy.
487   collectStores(BB);
488
489   // Look for a single store or sets of stores with a common base, which can be
490   // optimized into a memset (memset_pattern).  The latter most commonly happens
491   // with structs and handunrolled loops.
492   for (auto &SL : StoreRefsForMemset)
493     MadeChange |= processLoopStores(SL.second, BECount, true);
494
495   for (auto &SL : StoreRefsForMemsetPattern)
496     MadeChange |= processLoopStores(SL.second, BECount, false);
497
498   // Optimize the store into a memcpy, if it feeds an similarly strided load.
499   for (auto &SI : StoreRefsForMemcpy)
500     MadeChange |= processLoopStoreOfLoopLoad(SI, BECount);
501
502   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;) {
503     Instruction *Inst = &*I++;
504     // Look for memset instructions, which may be optimized to a larger memset.
505     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(Inst)) {
506       WeakTrackingVH InstPtr(&*I);
507       if (!processLoopMemSet(MSI, BECount))
508         continue;
509       MadeChange = true;
510
511       // If processing the memset invalidated our iterator, start over from the
512       // top of the block.
513       if (!InstPtr)
514         I = BB->begin();
515       continue;
516     }
517   }
518
519   return MadeChange;
520 }
521
522 /// processLoopStores - See if this store(s) can be promoted to a memset.
523 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStores(SmallVectorImpl<StoreInst *> &SL,
524                                            const SCEV *BECount,
525                                            bool ForMemset) {
526   // Try to find consecutive stores that can be transformed into memsets.
527   SetVector<StoreInst *> Heads, Tails;
528   SmallDenseMap<StoreInst *, StoreInst *> ConsecutiveChain;
529
530   // Do a quadratic search on all of the given stores and find
531   // all of the pairs of stores that follow each other.
532   SmallVector<unsigned, 16> IndexQueue;
533   for (unsigned i = 0, e = SL.size(); i < e; ++i) {
534     assert(SL[i]->isSimple() && "Expected only non-volatile stores.");
535
536     Value *FirstStoredVal = SL[i]->getValueOperand();
537     Value *FirstStorePtr = SL[i]->getPointerOperand();
538     const SCEVAddRecExpr *FirstStoreEv =
539         cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(FirstStorePtr));
540     APInt FirstStride = getStoreStride(FirstStoreEv);
541     unsigned FirstStoreSize = getStoreSizeInBytes(SL[i], DL);
542
543     // See if we can optimize just this store in isolation.
544     if (FirstStride == FirstStoreSize || -FirstStride == FirstStoreSize) {
545       Heads.insert(SL[i]);
546       continue;
547     }
548
549     Value *FirstSplatValue = nullptr;
550     Constant *FirstPatternValue = nullptr;
551
552     if (ForMemset)
553       FirstSplatValue = isBytewiseValue(FirstStoredVal);
554     else
555       FirstPatternValue = getMemSetPatternValue(FirstStoredVal, DL);
556
557     assert((FirstSplatValue || FirstPatternValue) &&
558            "Expected either splat value or pattern value.");
559
560     IndexQueue.clear();
561     // If a store has multiple consecutive store candidates, search Stores
562     // array according to the sequence: from i+1 to e, then from i-1 to 0.
563     // This is because usually pairing with immediate succeeding or preceding
564     // candidate create the best chance to find memset opportunity.
565     unsigned j = 0;
566     for (j = i + 1; j < e; ++j)
567       IndexQueue.push_back(j);
568     for (j = i; j > 0; --j)
569       IndexQueue.push_back(j - 1);
570
571     for (auto &k : IndexQueue) {
572       assert(SL[k]->isSimple() && "Expected only non-volatile stores.");
573       Value *SecondStorePtr = SL[k]->getPointerOperand();
574       const SCEVAddRecExpr *SecondStoreEv =
575           cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(SecondStorePtr));
576       APInt SecondStride = getStoreStride(SecondStoreEv);
577
578       if (FirstStride != SecondStride)
579         continue;
580
581       Value *SecondStoredVal = SL[k]->getValueOperand();
582       Value *SecondSplatValue = nullptr;
583       Constant *SecondPatternValue = nullptr;
584
585       if (ForMemset)
586         SecondSplatValue = isBytewiseValue(SecondStoredVal);
587       else
588         SecondPatternValue = getMemSetPatternValue(SecondStoredVal, DL);
589
590       assert((SecondSplatValue || SecondPatternValue) &&
591              "Expected either splat value or pattern value.");
592
593       if (isConsecutiveAccess(SL[i], SL[k], *DL, *SE, false)) {
594         if (ForMemset) {
595           if (FirstSplatValue != SecondSplatValue)
596             continue;
597         } else {
598           if (FirstPatternValue != SecondPatternValue)
599             continue;
600         }
601         Tails.insert(SL[k]);
602         Heads.insert(SL[i]);
603         ConsecutiveChain[SL[i]] = SL[k];
604         break;
605       }
606     }
607   }
608
609   // We may run into multiple chains that merge into a single chain. We mark the
610   // stores that we transformed so that we don't visit the same store twice.
611   SmallPtrSet<Value *, 16> TransformedStores;
612   bool Changed = false;
613
614   // For stores that start but don't end a link in the chain:
615   for (SetVector<StoreInst *>::iterator it = Heads.begin(), e = Heads.end();
616        it != e; ++it) {
617     if (Tails.count(*it))
618       continue;
619
620     // We found a store instr that starts a chain. Now follow the chain and try
621     // to transform it.
622     SmallPtrSet<Instruction *, 8> AdjacentStores;
623     StoreInst *I = *it;
624
625     StoreInst *HeadStore = I;
626     unsigned StoreSize = 0;
627
628     // Collect the chain into a list.
629     while (Tails.count(I) || Heads.count(I)) {
630       if (TransformedStores.count(I))
631         break;
632       AdjacentStores.insert(I);
633
634       StoreSize += getStoreSizeInBytes(I, DL);
635       // Move to the next value in the chain.
636       I = ConsecutiveChain[I];
637     }
638
639     Value *StoredVal = HeadStore->getValueOperand();
640     Value *StorePtr = HeadStore->getPointerOperand();
641     const SCEVAddRecExpr *StoreEv = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(StorePtr));
642     APInt Stride = getStoreStride(StoreEv);
643
644     // Check to see if the stride matches the size of the stores.  If so, then
645     // we know that every byte is touched in the loop.
646     if (StoreSize != Stride && StoreSize != -Stride)
647       continue;
648
649     bool NegStride = StoreSize == -Stride;
650
651     if (processLoopStridedStore(StorePtr, StoreSize, HeadStore->getAlignment(),
652                                 StoredVal, HeadStore, AdjacentStores, StoreEv,
653                                 BECount, NegStride)) {
654       TransformedStores.insert(AdjacentStores.begin(), AdjacentStores.end());
655       Changed = true;
656     }
657   }
658
659   return Changed;
660 }
661
662 /// processLoopMemSet - See if this memset can be promoted to a large memset.
663 bool LoopIdiomRecognize::processLoopMemSet(MemSetInst *MSI,
664                                            const SCEV *BECount) {
665   // We can only handle non-volatile memsets with a constant size.
666   if (MSI->isVolatile() || !isa<ConstantInt>(MSI->getLength()))
667     return false;
668
669   // If we're not allowed to hack on memset, we fail.
670   if (!HasMemset)
671     return false;
672
673   Value *Pointer = MSI->getDest();
674
675   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
676   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
677   // random store we can't handle.
678   const SCEVAddRecExpr *Ev = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Pointer));
679   if (!Ev || Ev->getLoop() != CurLoop || !Ev->isAffine())
680     return false;
681
682   // Reject memsets that are so large that they overflow an unsigned.
683   uint64_t SizeInBytes = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getZExtValue();
684   if ((SizeInBytes >> 32) != 0)
685     return false;
686
687   // Check to see if the stride matches the size of the memset.  If so, then we
688   // know that every byte is touched in the loop.
689   const SCEVConstant *ConstStride = dyn_cast<SCEVConstant>(Ev->getOperand(1));
690   if (!ConstStride)
691     return false;
692
693   APInt Stride = ConstStride->getAPInt();
694   if (SizeInBytes != Stride && SizeInBytes != -Stride)
695     return false;
696
697   // Verify that the memset value is loop invariant.  If not, we can't promote
698   // the memset.
699   Value *SplatValue = MSI->getValue();
700   if (!SplatValue || !CurLoop->isLoopInvariant(SplatValue))
701     return false;
702
703   SmallPtrSet<Instruction *, 1> MSIs;
704   MSIs.insert(MSI);
705   bool NegStride = SizeInBytes == -Stride;
706   return processLoopStridedStore(Pointer, (unsigned)SizeInBytes,
707                                  MSI->getAlignment(), SplatValue, MSI, MSIs, Ev,
708                                  BECount, NegStride, /*IsLoopMemset=*/true);
709 }
710
711 /// mayLoopAccessLocation - Return true if the specified loop might access the
712 /// specified pointer location, which is a loop-strided access.  The 'Access'
713 /// argument specifies what the verboten forms of access are (read or write).
714 static bool
715 mayLoopAccessLocation(Value *Ptr, ModRefInfo Access, Loop *L,
716                       const SCEV *BECount, unsigned StoreSize,
717                       AliasAnalysis &AA,
718                       SmallPtrSetImpl<Instruction *> &IgnoredStores) {
719   // Get the location that may be stored across the loop.  Since the access is
720   // strided positively through memory, we say that the modified location starts
721   // at the pointer and has infinite size.
722   uint64_t AccessSize = MemoryLocation::UnknownSize;
723
724   // If the loop iterates a fixed number of times, we can refine the access size
725   // to be exactly the size of the memset, which is (BECount+1)*StoreSize
726   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
727     AccessSize = (BECst->getValue()->getZExtValue() + 1) * StoreSize;
728
729   // TODO: For this to be really effective, we have to dive into the pointer
730   // operand in the store.  Store to &A[i] of 100 will always return may alias
731   // with store of &A[100], we need to StoreLoc to be "A" with size of 100,
732   // which will then no-alias a store to &A[100].
733   MemoryLocation StoreLoc(Ptr, AccessSize);
734
735   for (Loop::block_iterator BI = L->block_begin(), E = L->block_end(); BI != E;
736        ++BI)
737     for (Instruction &I : **BI)
738       if (IgnoredStores.count(&I) == 0 &&
739           (AA.getModRefInfo(&I, StoreLoc) & Access))
740         return true;
741
742   return false;
743 }
744
745 // If we have a negative stride, Start refers to the end of the memory location
746 // we're trying to memset.  Therefore, we need to recompute the base pointer,
747 // which is just Start - BECount*Size.
748 static const SCEV *getStartForNegStride(const SCEV *Start, const SCEV *BECount,
749                                         Type *IntPtr, unsigned StoreSize,
750                                         ScalarEvolution *SE) {
751   const SCEV *Index = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtr);
752   if (StoreSize != 1)
753     Index = SE->getMulExpr(Index, SE->getConstant(IntPtr, StoreSize),
754                            SCEV::FlagNUW);
755   return SE->getMinusSCEV(Start, Index);
756 }
757
758 /// processLoopStridedStore - We see a strided store of some value.  If we can
759 /// transform this into a memset or memset_pattern in the loop preheader, do so.
760 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStridedStore(
761     Value *DestPtr, unsigned StoreSize, unsigned StoreAlignment,
762     Value *StoredVal, Instruction *TheStore,
763     SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Stores, const SCEVAddRecExpr *Ev,
764     const SCEV *BECount, bool NegStride, bool IsLoopMemset) {
765   Value *SplatValue = isBytewiseValue(StoredVal);
766   Constant *PatternValue = nullptr;
767
768   if (!SplatValue)
769     PatternValue = getMemSetPatternValue(StoredVal, DL);
770
771   assert((SplatValue || PatternValue) &&
772          "Expected either splat value or pattern value.");
773
774   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
775   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
776   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
777   unsigned DestAS = DestPtr->getType()->getPointerAddressSpace();
778   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
779   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
780   SCEVExpander Expander(*SE, *DL, "loop-idiom");
781
782   Type *DestInt8PtrTy = Builder.getInt8PtrTy(DestAS);
783   Type *IntPtr = Builder.getIntPtrTy(*DL, DestAS);
784
785   const SCEV *Start = Ev->getStart();
786   // Handle negative strided loops.
787   if (NegStride)
788     Start = getStartForNegStride(Start, BECount, IntPtr, StoreSize, SE);
789
790   // TODO: ideally we should still be able to generate memset if SCEV expander
791   // is taught to generate the dependencies at the latest point.
792   if (!isSafeToExpand(Start, *SE))
793     return false;
794
795   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a splattable value.  We can turn
796   // this into a memset in the loop preheader now if we want.  However, this
797   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
798   // or write to the aliased location.  Check for any overlap by generating the
799   // base pointer and checking the region.
800   Value *BasePtr =
801       Expander.expandCodeFor(Start, DestInt8PtrTy, Preheader->getTerminator());
802   if (mayLoopAccessLocation(BasePtr, MRI_ModRef, CurLoop, BECount, StoreSize,
803                             *AA, Stores)) {
804     Expander.clear();
805     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
806     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(BasePtr, TLI);
807     return false;
808   }
809
810   if (avoidLIRForMultiBlockLoop(/*IsMemset=*/true, IsLoopMemset))
811     return false;
812
813   // Okay, everything looks good, insert the memset.
814
815   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
816   // pointer size if it isn't already.
817   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtr);
818
819   const SCEV *NumBytesS =
820       SE->getAddExpr(BECount, SE->getOne(IntPtr), SCEV::FlagNUW);
821   if (StoreSize != 1) {
822     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtr, StoreSize),
823                                SCEV::FlagNUW);
824   }
825
826   // TODO: ideally we should still be able to generate memset if SCEV expander
827   // is taught to generate the dependencies at the latest point.
828   if (!isSafeToExpand(NumBytesS, *SE))
829     return false;
830
831   Value *NumBytes =
832       Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtr, Preheader->getTerminator());
833
834   CallInst *NewCall;
835   if (SplatValue) {
836     NewCall =
837         Builder.CreateMemSet(BasePtr, SplatValue, NumBytes, StoreAlignment);
838   } else {
839     // Everything is emitted in default address space
840     Type *Int8PtrTy = DestInt8PtrTy;
841
842     Module *M = TheStore->getModule();
843     Value *MSP =
844         M->getOrInsertFunction("memset_pattern16", Builder.getVoidTy(),
845                                Int8PtrTy, Int8PtrTy, IntPtr);
846     inferLibFuncAttributes(*M->getFunction("memset_pattern16"), *TLI);
847
848     // Otherwise we should form a memset_pattern16.  PatternValue is known to be
849     // an constant array of 16-bytes.  Plop the value into a mergable global.
850     GlobalVariable *GV = new GlobalVariable(*M, PatternValue->getType(), true,
851                                             GlobalValue::PrivateLinkage,
852                                             PatternValue, ".memset_pattern");
853     GV->setUnnamedAddr(GlobalValue::UnnamedAddr::Global); // Ok to merge these.
854     GV->setAlignment(16);
855     Value *PatternPtr = ConstantExpr::getBitCast(GV, Int8PtrTy);
856     NewCall = Builder.CreateCall(MSP, {BasePtr, PatternPtr, NumBytes});
857   }
858
859   DEBUG(dbgs() << "  Formed memset: " << *NewCall << "\n"
860                << "    from store to: " << *Ev << " at: " << *TheStore << "\n");
861   NewCall->setDebugLoc(TheStore->getDebugLoc());
862
863   // Okay, the memset has been formed.  Zap the original store and anything that
864   // feeds into it.
865   for (auto *I : Stores)
866     deleteDeadInstruction(I);
867   ++NumMemSet;
868   return true;
869 }
870
871 /// If the stored value is a strided load in the same loop with the same stride
872 /// this may be transformable into a memcpy.  This kicks in for stuff like
873 /// for (i) A[i] = B[i];
874 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStoreOfLoopLoad(StoreInst *SI,
875                                                     const SCEV *BECount) {
876   assert(SI->isSimple() && "Expected only non-volatile stores.");
877
878   Value *StorePtr = SI->getPointerOperand();
879   const SCEVAddRecExpr *StoreEv = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(StorePtr));
880   APInt Stride = getStoreStride(StoreEv);
881   unsigned StoreSize = getStoreSizeInBytes(SI, DL);
882   bool NegStride = StoreSize == -Stride;
883
884   // The store must be feeding a non-volatile load.
885   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(SI->getValueOperand());
886   assert(LI->isSimple() && "Expected only non-volatile stores.");
887
888   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
889   // loop, which indicates a strided load.  If we have something else, it's a
890   // random load we can't handle.
891   const SCEVAddRecExpr *LoadEv =
892       cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(LI->getPointerOperand()));
893
894   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
895   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
896   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
897   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
898   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
899   SCEVExpander Expander(*SE, *DL, "loop-idiom");
900
901   const SCEV *StrStart = StoreEv->getStart();
902   unsigned StrAS = SI->getPointerAddressSpace();
903   Type *IntPtrTy = Builder.getIntPtrTy(*DL, StrAS);
904
905   // Handle negative strided loops.
906   if (NegStride)
907     StrStart = getStartForNegStride(StrStart, BECount, IntPtrTy, StoreSize, SE);
908
909   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a loaded value.  We can turn
910   // this into a memcpy in the loop preheader now if we want.  However, this
911   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
912   // or write the memory region we're storing to.  This includes the load that
913   // feeds the stores.  Check for an alias by generating the base address and
914   // checking everything.
915   Value *StoreBasePtr = Expander.expandCodeFor(
916       StrStart, Builder.getInt8PtrTy(StrAS), Preheader->getTerminator());
917
918   SmallPtrSet<Instruction *, 1> Stores;
919   Stores.insert(SI);
920   if (mayLoopAccessLocation(StoreBasePtr, MRI_ModRef, CurLoop, BECount,
921                             StoreSize, *AA, Stores)) {
922     Expander.clear();
923     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
924     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
925     return false;
926   }
927
928   const SCEV *LdStart = LoadEv->getStart();
929   unsigned LdAS = LI->getPointerAddressSpace();
930
931   // Handle negative strided loops.
932   if (NegStride)
933     LdStart = getStartForNegStride(LdStart, BECount, IntPtrTy, StoreSize, SE);
934
935   // For a memcpy, we have to make sure that the input array is not being
936   // mutated by the loop.
937   Value *LoadBasePtr = Expander.expandCodeFor(
938       LdStart, Builder.getInt8PtrTy(LdAS), Preheader->getTerminator());
939
940   if (mayLoopAccessLocation(LoadBasePtr, MRI_Mod, CurLoop, BECount, StoreSize,
941                             *AA, Stores)) {
942     Expander.clear();
943     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
944     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(LoadBasePtr, TLI);
945     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
946     return false;
947   }
948
949   if (avoidLIRForMultiBlockLoop())
950     return false;
951
952   // Okay, everything is safe, we can transform this!
953
954   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
955   // pointer size if it isn't already.
956   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtrTy);
957
958   const SCEV *NumBytesS =
959       SE->getAddExpr(BECount, SE->getOne(IntPtrTy), SCEV::FlagNUW);
960   if (StoreSize != 1)
961     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtrTy, StoreSize),
962                                SCEV::FlagNUW);
963
964   Value *NumBytes =
965       Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtrTy, Preheader->getTerminator());
966
967   CallInst *NewCall =
968       Builder.CreateMemCpy(StoreBasePtr, LoadBasePtr, NumBytes,
969                            std::min(SI->getAlignment(), LI->getAlignment()));
970   NewCall->setDebugLoc(SI->getDebugLoc());
971
972   DEBUG(dbgs() << "  Formed memcpy: " << *NewCall << "\n"
973                << "    from load ptr=" << *LoadEv << " at: " << *LI << "\n"
974                << "    from store ptr=" << *StoreEv << " at: " << *SI << "\n");
975
976   // Okay, the memcpy has been formed.  Zap the original store and anything that
977   // feeds into it.
978   deleteDeadInstruction(SI);
979   ++NumMemCpy;
980   return true;
981 }
982
983 // When compiling for codesize we avoid idiom recognition for a multi-block loop
984 // unless it is a loop_memset idiom or a memset/memcpy idiom in a nested loop.
985 //
986 bool LoopIdiomRecognize::avoidLIRForMultiBlockLoop(bool IsMemset,
987                                                    bool IsLoopMemset) {
988   if (ApplyCodeSizeHeuristics && CurLoop->getNumBlocks() > 1) {
989     if (!CurLoop->getParentLoop() && (!IsMemset || !IsLoopMemset)) {
990       DEBUG(dbgs() << "  " << CurLoop->getHeader()->getParent()->getName()
991                    << " : LIR " << (IsMemset ? "Memset" : "Memcpy")
992                    << " avoided: multi-block top-level loop\n");
993       return true;
994     }
995   }
996
997   return false;
998 }
999
1000 bool LoopIdiomRecognize::runOnNoncountableLoop() {
1001   return recognizePopcount() || recognizeAndInsertCTLZ();
1002 }
1003
1004 /// Check if the given conditional branch is based on the comparison between
1005 /// a variable and zero, and if the variable is non-zero, the control yields to
1006 /// the loop entry. If the branch matches the behavior, the variable involved
1007 /// in the comparison is returned. This function will be called to see if the
1008 /// precondition and postcondition of the loop are in desirable form.
1009 static Value *matchCondition(BranchInst *BI, BasicBlock *LoopEntry) {
1010   if (!BI || !BI->isConditional())
1011     return nullptr;
1012
1013   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1014   if (!Cond)
1015     return nullptr;
1016
1017   ConstantInt *CmpZero = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1));
1018   if (!CmpZero || !CmpZero->isZero())
1019     return nullptr;
1020
1021   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1022   if ((Pred == ICmpInst::ICMP_NE && BI->getSuccessor(0) == LoopEntry) ||
1023       (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && BI->getSuccessor(1) == LoopEntry))
1024     return Cond->getOperand(0);
1025
1026   return nullptr;
1027 }
1028
1029 /// Return true iff the idiom is detected in the loop.
1030 ///
1031 /// Additionally:
1032 /// 1) \p CntInst is set to the instruction counting the population bit.
1033 /// 2) \p CntPhi is set to the corresponding phi node.
1034 /// 3) \p Var is set to the value whose population bits are being counted.
1035 ///
1036 /// The core idiom we are trying to detect is:
1037 /// \code
1038 ///    if (x0 != 0)
1039 ///      goto loop-exit // the precondition of the loop
1040 ///    cnt0 = init-val;
1041 ///    do {
1042 ///       x1 = phi (x0, x2);
1043 ///       cnt1 = phi(cnt0, cnt2);
1044 ///
1045 ///       cnt2 = cnt1 + 1;
1046 ///        ...
1047 ///       x2 = x1 & (x1 - 1);
1048 ///        ...
1049 ///    } while(x != 0);
1050 ///
1051 /// loop-exit:
1052 /// \endcode
1053 static bool detectPopcountIdiom(Loop *CurLoop, BasicBlock *PreCondBB,
1054                                 Instruction *&CntInst, PHINode *&CntPhi,
1055                                 Value *&Var) {
1056   // step 1: Check to see if the look-back branch match this pattern:
1057   //    "if (a!=0) goto loop-entry".
1058   BasicBlock *LoopEntry;
1059   Instruction *DefX2, *CountInst;
1060   Value *VarX1, *VarX0;
1061   PHINode *PhiX, *CountPhi;
1062
1063   DefX2 = CountInst = nullptr;
1064   VarX1 = VarX0 = nullptr;
1065   PhiX = CountPhi = nullptr;
1066   LoopEntry = *(CurLoop->block_begin());
1067
1068   // step 1: Check if the loop-back branch is in desirable form.
1069   {
1070     if (Value *T = matchCondition(
1071             dyn_cast<BranchInst>(LoopEntry->getTerminator()), LoopEntry))
1072       DefX2 = dyn_cast<Instruction>(T);
1073     else
1074       return false;
1075   }
1076
1077   // step 2: detect instructions corresponding to "x2 = x1 & (x1 - 1)"
1078   {
1079     if (!DefX2 || DefX2->getOpcode() != Instruction::And)
1080       return false;
1081
1082     BinaryOperator *SubOneOp;
1083
1084     if ((SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(0))))
1085       VarX1 = DefX2->getOperand(1);
1086     else {
1087       VarX1 = DefX2->getOperand(0);
1088       SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(1));
1089     }
1090     if (!SubOneOp)
1091       return false;
1092
1093     Instruction *SubInst = cast<Instruction>(SubOneOp);
1094     ConstantInt *Dec = dyn_cast<ConstantInt>(SubInst->getOperand(1));
1095     if (!Dec ||
1096         !((SubInst->getOpcode() == Instruction::Sub && Dec->isOne()) ||
1097           (SubInst->getOpcode() == Instruction::Add &&
1098            Dec->isAllOnesValue()))) {
1099       return false;
1100     }
1101   }
1102
1103   // step 3: Check the recurrence of variable X
1104   {
1105     PhiX = dyn_cast<PHINode>(VarX1);
1106     if (!PhiX ||
1107         (PhiX->getOperand(0) != DefX2 && PhiX->getOperand(1) != DefX2)) {
1108       return false;
1109     }
1110   }
1111
1112   // step 4: Find the instruction which count the population: cnt2 = cnt1 + 1
1113   {
1114     CountInst = nullptr;
1115     for (BasicBlock::iterator Iter = LoopEntry->getFirstNonPHI()->getIterator(),
1116                               IterE = LoopEntry->end();
1117          Iter != IterE; Iter++) {
1118       Instruction *Inst = &*Iter;
1119       if (Inst->getOpcode() != Instruction::Add)
1120         continue;
1121
1122       ConstantInt *Inc = dyn_cast<ConstantInt>(Inst->getOperand(1));
1123       if (!Inc || !Inc->isOne())
1124         continue;
1125
1126       PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(Inst->getOperand(0));
1127       if (!Phi || Phi->getParent() != LoopEntry)
1128         continue;
1129
1130       // Check if the result of the instruction is live of the loop.
1131       bool LiveOutLoop = false;
1132       for (User *U : Inst->users()) {
1133         if ((cast<Instruction>(U))->getParent() != LoopEntry) {
1134           LiveOutLoop = true;
1135           break;
1136         }
1137       }
1138
1139       if (LiveOutLoop) {
1140         CountInst = Inst;
1141         CountPhi = Phi;
1142         break;
1143       }
1144     }
1145
1146     if (!CountInst)
1147       return false;
1148   }
1149
1150   // step 5: check if the precondition is in this form:
1151   //   "if (x != 0) goto loop-head ; else goto somewhere-we-don't-care;"
1152   {
1153     auto *PreCondBr = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
1154     Value *T = matchCondition(PreCondBr, CurLoop->getLoopPreheader());
1155     if (T != PhiX->getOperand(0) && T != PhiX->getOperand(1))
1156       return false;
1157
1158     CntInst = CountInst;
1159     CntPhi = CountPhi;
1160     Var = T;
1161   }
1162
1163   return true;
1164 }
1165
1166 /// Return true if the idiom is detected in the loop.
1167 ///
1168 /// Additionally:
1169 /// 1) \p CntInst is set to the instruction Counting Leading Zeros (CTLZ)
1170 ///       or nullptr if there is no such.
1171 /// 2) \p CntPhi is set to the corresponding phi node
1172 ///       or nullptr if there is no such.
1173 /// 3) \p Var is set to the value whose CTLZ could be used.
1174 /// 4) \p DefX is set to the instruction calculating Loop exit condition.
1175 ///
1176 /// The core idiom we are trying to detect is:
1177 /// \code
1178 ///    if (x0 == 0)
1179 ///      goto loop-exit // the precondition of the loop
1180 ///    cnt0 = init-val;
1181 ///    do {
1182 ///       x = phi (x0, x.next);   //PhiX
1183 ///       cnt = phi(cnt0, cnt.next);
1184 ///
1185 ///       cnt.next = cnt + 1;
1186 ///        ...
1187 ///       x.next = x >> 1;   // DefX
1188 ///        ...
1189 ///    } while(x.next != 0);
1190 ///
1191 /// loop-exit:
1192 /// \endcode
1193 static bool detectCTLZIdiom(Loop *CurLoop, PHINode *&PhiX,
1194                             Instruction *&CntInst, PHINode *&CntPhi,
1195                             Instruction *&DefX) {
1196   BasicBlock *LoopEntry;
1197   Value *VarX = nullptr;
1198
1199   DefX = nullptr;
1200   PhiX = nullptr;
1201   CntInst = nullptr;
1202   CntPhi = nullptr;
1203   LoopEntry = *(CurLoop->block_begin());
1204
1205   // step 1: Check if the loop-back branch is in desirable form.
1206   if (Value *T = matchCondition(
1207           dyn_cast<BranchInst>(LoopEntry->getTerminator()), LoopEntry))
1208     DefX = dyn_cast<Instruction>(T);
1209   else
1210     return false;
1211
1212   // step 2: detect instructions corresponding to "x.next = x >> 1"
1213   if (!DefX || DefX->getOpcode() != Instruction::AShr)
1214     return false;
1215   if (ConstantInt *Shft = dyn_cast<ConstantInt>(DefX->getOperand(1)))
1216     if (!Shft || !Shft->isOne())
1217       return false;
1218   VarX = DefX->getOperand(0);
1219
1220   // step 3: Check the recurrence of variable X
1221   PhiX = dyn_cast<PHINode>(VarX);
1222   if (!PhiX || (PhiX->getOperand(0) != DefX && PhiX->getOperand(1) != DefX))
1223     return false;
1224
1225   // step 4: Find the instruction which count the CTLZ: cnt.next = cnt + 1
1226   // TODO: We can skip the step. If loop trip count is known (CTLZ),
1227   //       then all uses of "cnt.next" could be optimized to the trip count
1228   //       plus "cnt0". Currently it is not optimized.
1229   //       This step could be used to detect POPCNT instruction:
1230   //       cnt.next = cnt + (x.next & 1)
1231   for (BasicBlock::iterator Iter = LoopEntry->getFirstNonPHI()->getIterator(),
1232                             IterE = LoopEntry->end();
1233        Iter != IterE; Iter++) {
1234     Instruction *Inst = &*Iter;
1235     if (Inst->getOpcode() != Instruction::Add)
1236       continue;
1237
1238     ConstantInt *Inc = dyn_cast<ConstantInt>(Inst->getOperand(1));
1239     if (!Inc || !Inc->isOne())
1240       continue;
1241
1242     PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(Inst->getOperand(0));
1243     if (!Phi || Phi->getParent() != LoopEntry)
1244       continue;
1245
1246     CntInst = Inst;
1247     CntPhi = Phi;
1248     break;
1249   }
1250   if (!CntInst)
1251     return false;
1252
1253   return true;
1254 }
1255
1256 /// Recognize CTLZ idiom in a non-countable loop and convert the loop
1257 /// to countable (with CTLZ trip count).
1258 /// If CTLZ inserted as a new trip count returns true; otherwise, returns false.
1259 bool LoopIdiomRecognize::recognizeAndInsertCTLZ() {
1260   // Give up if the loop has multiple blocks or multiple backedges.
1261   if (CurLoop->getNumBackEdges() != 1 || CurLoop->getNumBlocks() != 1)
1262     return false;
1263
1264   Instruction *CntInst, *DefX;
1265   PHINode *CntPhi, *PhiX;
1266   if (!detectCTLZIdiom(CurLoop, PhiX, CntInst, CntPhi, DefX))
1267     return false;
1268
1269   bool IsCntPhiUsedOutsideLoop = false;
1270   for (User *U : CntPhi->users())
1271     if (!CurLoop->contains(dyn_cast<Instruction>(U))) {
1272       IsCntPhiUsedOutsideLoop = true;
1273       break;
1274     }
1275   bool IsCntInstUsedOutsideLoop = false;
1276   for (User *U : CntInst->users())
1277     if (!CurLoop->contains(dyn_cast<Instruction>(U))) {
1278       IsCntInstUsedOutsideLoop = true;
1279       break;
1280     }
1281   // If both CntInst and CntPhi are used outside the loop the profitability
1282   // is questionable.
1283   if (IsCntInstUsedOutsideLoop && IsCntPhiUsedOutsideLoop)
1284     return false;
1285
1286   // For some CPUs result of CTLZ(X) intrinsic is undefined
1287   // when X is 0. If we can not guarantee X != 0, we need to check this
1288   // when expand.
1289   bool ZeroCheck = false;
1290   // It is safe to assume Preheader exist as it was checked in
1291   // parent function RunOnLoop.
1292   BasicBlock *PH = CurLoop->getLoopPreheader();
1293   Value *InitX = PhiX->getIncomingValueForBlock(PH);
1294   // If we check X != 0 before entering the loop we don't need a zero
1295   // check in CTLZ intrinsic, but only if Cnt Phi is not used outside of the
1296   // loop (if it is used we count CTLZ(X >> 1)).
1297   if (!IsCntPhiUsedOutsideLoop)
1298     if (BasicBlock *PreCondBB = PH->getSinglePredecessor())
1299       if (BranchInst *PreCondBr =
1300           dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator())) {
1301         if (matchCondition(PreCondBr, PH) == InitX)
1302           ZeroCheck = true;
1303       }
1304
1305   // Check if CTLZ intrinsic is profitable. Assume it is always profitable
1306   // if we delete the loop (the loop has only 6 instructions):
1307   //  %n.addr.0 = phi [ %n, %entry ], [ %shr, %while.cond ]
1308   //  %i.0 = phi [ %i0, %entry ], [ %inc, %while.cond ]
1309   //  %shr = ashr %n.addr.0, 1
1310   //  %tobool = icmp eq %shr, 0
1311   //  %inc = add nsw %i.0, 1
1312   //  br i1 %tobool
1313
1314   IRBuilder<> Builder(PH->getTerminator());
1315   SmallVector<const Value *, 2> Ops =
1316       {InitX, ZeroCheck ? Builder.getTrue() : Builder.getFalse()};
1317   ArrayRef<const Value *> Args(Ops);
1318   if (CurLoop->getHeader()->size() != 6 &&
1319       TTI->getIntrinsicCost(Intrinsic::ctlz, InitX->getType(), Args) >
1320           TargetTransformInfo::TCC_Basic)
1321     return false;
1322
1323   const DebugLoc DL = DefX->getDebugLoc();
1324   transformLoopToCountable(PH, CntInst, CntPhi, InitX, DL, ZeroCheck,
1325                            IsCntPhiUsedOutsideLoop);
1326   return true;
1327 }
1328
1329 /// Recognizes a population count idiom in a non-countable loop.
1330 ///
1331 /// If detected, transforms the relevant code to issue the popcount intrinsic
1332 /// function call, and returns true; otherwise, returns false.
1333 bool LoopIdiomRecognize::recognizePopcount() {
1334   if (TTI->getPopcntSupport(32) != TargetTransformInfo::PSK_FastHardware)
1335     return false;
1336
1337   // Counting population are usually conducted by few arithmetic instructions.
1338   // Such instructions can be easily "absorbed" by vacant slots in a
1339   // non-compact loop. Therefore, recognizing popcount idiom only makes sense
1340   // in a compact loop.
1341
1342   // Give up if the loop has multiple blocks or multiple backedges.
1343   if (CurLoop->getNumBackEdges() != 1 || CurLoop->getNumBlocks() != 1)
1344     return false;
1345
1346   BasicBlock *LoopBody = *(CurLoop->block_begin());
1347   if (LoopBody->size() >= 20) {
1348     // The loop is too big, bail out.
1349     return false;
1350   }
1351
1352   // It should have a preheader containing nothing but an unconditional branch.
1353   BasicBlock *PH = CurLoop->getLoopPreheader();
1354   if (!PH || &PH->front() != PH->getTerminator())
1355     return false;
1356   auto *EntryBI = dyn_cast<BranchInst>(PH->getTerminator());
1357   if (!EntryBI || EntryBI->isConditional())
1358     return false;
1359
1360   // It should have a precondition block where the generated popcount instrinsic
1361   // function can be inserted.
1362   auto *PreCondBB = PH->getSinglePredecessor();
1363   if (!PreCondBB)
1364     return false;
1365   auto *PreCondBI = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
1366   if (!PreCondBI || PreCondBI->isUnconditional())
1367     return false;
1368
1369   Instruction *CntInst;
1370   PHINode *CntPhi;
1371   Value *Val;
1372   if (!detectPopcountIdiom(CurLoop, PreCondBB, CntInst, CntPhi, Val))
1373     return false;
1374
1375   transformLoopToPopcount(PreCondBB, CntInst, CntPhi, Val);
1376   return true;
1377 }
1378
1379 static CallInst *createPopcntIntrinsic(IRBuilder<> &IRBuilder, Value *Val,
1380                                        const DebugLoc &DL) {
1381   Value *Ops[] = {Val};
1382   Type *Tys[] = {Val->getType()};
1383
1384   Module *M = IRBuilder.GetInsertBlock()->getParent()->getParent();
1385   Value *Func = Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::ctpop, Tys);
1386   CallInst *CI = IRBuilder.CreateCall(Func, Ops);
1387   CI->setDebugLoc(DL);
1388
1389   return CI;
1390 }
1391
1392 static CallInst *createCTLZIntrinsic(IRBuilder<> &IRBuilder, Value *Val,
1393                                      const DebugLoc &DL, bool ZeroCheck) {
1394   Value *Ops[] = {Val, ZeroCheck ? IRBuilder.getTrue() : IRBuilder.getFalse()};
1395   Type *Tys[] = {Val->getType()};
1396
1397   Module *M = IRBuilder.GetInsertBlock()->getParent()->getParent();
1398   Value *Func = Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::ctlz, Tys);
1399   CallInst *CI = IRBuilder.CreateCall(Func, Ops);
1400   CI->setDebugLoc(DL);
1401
1402   return CI;
1403 }
1404
1405 /// Transform the following loop:
1406 /// loop:
1407 ///   CntPhi = PHI [Cnt0, CntInst]
1408 ///   PhiX = PHI [InitX, DefX]
1409 ///   CntInst = CntPhi + 1
1410 ///   DefX = PhiX >> 1
1411 //    LOOP_BODY
1412 ///   Br: loop if (DefX != 0)
1413 /// Use(CntPhi) or Use(CntInst)
1414 ///
1415 /// Into:
1416 /// If CntPhi used outside the loop:
1417 ///   CountPrev = BitWidth(InitX) - CTLZ(InitX >> 1)
1418 ///   Count = CountPrev + 1
1419 /// else
1420 ///   Count = BitWidth(InitX) - CTLZ(InitX)
1421 /// loop:
1422 ///   CntPhi = PHI [Cnt0, CntInst]
1423 ///   PhiX = PHI [InitX, DefX]
1424 ///   PhiCount = PHI [Count, Dec]
1425 ///   CntInst = CntPhi + 1
1426 ///   DefX = PhiX >> 1
1427 ///   Dec = PhiCount - 1
1428 ///   LOOP_BODY
1429 ///   Br: loop if (Dec != 0)
1430 /// Use(CountPrev + Cnt0) // Use(CntPhi)
1431 /// or
1432 /// Use(Count + Cnt0) // Use(CntInst)
1433 ///
1434 /// If LOOP_BODY is empty the loop will be deleted.
1435 /// If CntInst and DefX are not used in LOOP_BODY they will be removed.
1436 void LoopIdiomRecognize::transformLoopToCountable(
1437     BasicBlock *Preheader, Instruction *CntInst, PHINode *CntPhi, Value *InitX,
1438     const DebugLoc DL, bool ZeroCheck, bool IsCntPhiUsedOutsideLoop) {
1439   BranchInst *PreheaderBr = dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
1440
1441   // Step 1: Insert the CTLZ instruction at the end of the preheader block
1442   //   Count = BitWidth - CTLZ(InitX);
1443   // If there are uses of CntPhi create:
1444   //   CountPrev = BitWidth - CTLZ(InitX >> 1);
1445   IRBuilder<> Builder(PreheaderBr);
1446   Builder.SetCurrentDebugLocation(DL);
1447   Value *CTLZ, *Count, *CountPrev, *NewCount, *InitXNext;
1448
1449   if (IsCntPhiUsedOutsideLoop)
1450     InitXNext = Builder.CreateAShr(InitX,
1451                                    ConstantInt::get(InitX->getType(), 1));
1452   else
1453     InitXNext = InitX;
1454   CTLZ = createCTLZIntrinsic(Builder, InitXNext, DL, ZeroCheck);
1455   Count = Builder.CreateSub(
1456       ConstantInt::get(CTLZ->getType(),
1457                        CTLZ->getType()->getIntegerBitWidth()),
1458       CTLZ);
1459   if (IsCntPhiUsedOutsideLoop) {
1460     CountPrev = Count;
1461     Count = Builder.CreateAdd(
1462         CountPrev,
1463         ConstantInt::get(CountPrev->getType(), 1));
1464   }
1465   if (IsCntPhiUsedOutsideLoop)
1466     NewCount = Builder.CreateZExtOrTrunc(CountPrev,
1467         cast<IntegerType>(CntInst->getType()));
1468   else
1469     NewCount = Builder.CreateZExtOrTrunc(Count,
1470         cast<IntegerType>(CntInst->getType()));
1471
1472   // If the CTLZ counter's initial value is not zero, insert Add Inst.
1473   Value *CntInitVal = CntPhi->getIncomingValueForBlock(Preheader);
1474   ConstantInt *InitConst = dyn_cast<ConstantInt>(CntInitVal);
1475   if (!InitConst || !InitConst->isZero())
1476     NewCount = Builder.CreateAdd(NewCount, CntInitVal);
1477
1478   // Step 2: Insert new IV and loop condition:
1479   // loop:
1480   //   ...
1481   //   PhiCount = PHI [Count, Dec]
1482   //   ...
1483   //   Dec = PhiCount - 1
1484   //   ...
1485   //   Br: loop if (Dec != 0)
1486   BasicBlock *Body = *(CurLoop->block_begin());
1487   auto *LbBr = dyn_cast<BranchInst>(Body->getTerminator());
1488   ICmpInst *LbCond = cast<ICmpInst>(LbBr->getCondition());
1489   Type *Ty = Count->getType();
1490
1491   PHINode *TcPhi = PHINode::Create(Ty, 2, "tcphi", &Body->front());
1492
1493   Builder.SetInsertPoint(LbCond);
1494   Instruction *TcDec = cast<Instruction>(
1495       Builder.CreateSub(TcPhi, ConstantInt::get(Ty, 1),
1496                         "tcdec", false, true));
1497
1498   TcPhi->addIncoming(Count, Preheader);
1499   TcPhi->addIncoming(TcDec, Body);
1500
1501   CmpInst::Predicate Pred =
1502       (LbBr->getSuccessor(0) == Body) ? CmpInst::ICMP_NE : CmpInst::ICMP_EQ;
1503   LbCond->setPredicate(Pred);
1504   LbCond->setOperand(0, TcDec);
1505   LbCond->setOperand(1, ConstantInt::get(Ty, 0));
1506
1507   // Step 3: All the references to the original counter outside
1508   //  the loop are replaced with the NewCount -- the value returned from
1509   //  __builtin_ctlz(x).
1510   if (IsCntPhiUsedOutsideLoop)
1511     CntPhi->replaceUsesOutsideBlock(NewCount, Body);
1512   else
1513     CntInst->replaceUsesOutsideBlock(NewCount, Body);
1514
1515   // step 4: Forget the "non-computable" trip-count SCEV associated with the
1516   //   loop. The loop would otherwise not be deleted even if it becomes empty.
1517   SE->forgetLoop(CurLoop);
1518 }
1519
1520 void LoopIdiomRecognize::transformLoopToPopcount(BasicBlock *PreCondBB,
1521                                                  Instruction *CntInst,
1522                                                  PHINode *CntPhi, Value *Var) {
1523   BasicBlock *PreHead = CurLoop->getLoopPreheader();
1524   auto *PreCondBr = dyn_cast<BranchInst>(PreCondBB->getTerminator());
1525   const DebugLoc DL = CntInst->getDebugLoc();
1526
1527   // Assuming before transformation, the loop is following:
1528   //  if (x) // the precondition
1529   //     do { cnt++; x &= x - 1; } while(x);
1530
1531   // Step 1: Insert the ctpop instruction at the end of the precondition block
1532   IRBuilder<> Builder(PreCondBr);
1533   Value *PopCnt, *PopCntZext, *NewCount, *TripCnt;
1534   {
1535     PopCnt = createPopcntIntrinsic(Builder, Var, DL);
1536     NewCount = PopCntZext =
1537         Builder.CreateZExtOrTrunc(PopCnt, cast<IntegerType>(CntPhi->getType()));
1538
1539     if (NewCount != PopCnt)
1540       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
1541
1542     // TripCnt is exactly the number of iterations the loop has
1543     TripCnt = NewCount;
1544
1545     // If the population counter's initial value is not zero, insert Add Inst.
1546     Value *CntInitVal = CntPhi->getIncomingValueForBlock(PreHead);
1547     ConstantInt *InitConst = dyn_cast<ConstantInt>(CntInitVal);
1548     if (!InitConst || !InitConst->isZero()) {
1549       NewCount = Builder.CreateAdd(NewCount, CntInitVal);
1550       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
1551     }
1552   }
1553
1554   // Step 2: Replace the precondition from "if (x == 0) goto loop-exit" to
1555   //   "if (NewCount == 0) loop-exit". Without this change, the intrinsic
1556   //   function would be partial dead code, and downstream passes will drag
1557   //   it back from the precondition block to the preheader.
1558   {
1559     ICmpInst *PreCond = cast<ICmpInst>(PreCondBr->getCondition());
1560
1561     Value *Opnd0 = PopCntZext;
1562     Value *Opnd1 = ConstantInt::get(PopCntZext->getType(), 0);
1563     if (PreCond->getOperand(0) != Var)
1564       std::swap(Opnd0, Opnd1);
1565
1566     ICmpInst *NewPreCond = cast<ICmpInst>(
1567         Builder.CreateICmp(PreCond->getPredicate(), Opnd0, Opnd1));
1568     PreCondBr->setCondition(NewPreCond);
1569
1570     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PreCond, TLI);
1571   }
1572
1573   // Step 3: Note that the population count is exactly the trip count of the
1574   // loop in question, which enable us to to convert the loop from noncountable
1575   // loop into a countable one. The benefit is twofold:
1576   //
1577   //  - If the loop only counts population, the entire loop becomes dead after
1578   //    the transformation. It is a lot easier to prove a countable loop dead
1579   //    than to prove a noncountable one. (In some C dialects, an infinite loop
1580   //    isn't dead even if it computes nothing useful. In general, DCE needs
1581   //    to prove a noncountable loop finite before safely delete it.)
1582   //
1583   //  - If the loop also performs something else, it remains alive.
1584   //    Since it is transformed to countable form, it can be aggressively
1585   //    optimized by some optimizations which are in general not applicable
1586   //    to a noncountable loop.
1587   //
1588   // After this step, this loop (conceptually) would look like following:
1589   //   newcnt = __builtin_ctpop(x);
1590   //   t = newcnt;
1591   //   if (x)
1592   //     do { cnt++; x &= x-1; t--) } while (t > 0);
1593   BasicBlock *Body = *(CurLoop->block_begin());
1594   {
1595     auto *LbBr = dyn_cast<BranchInst>(Body->getTerminator());
1596     ICmpInst *LbCond = cast<ICmpInst>(LbBr->getCondition());
1597     Type *Ty = TripCnt->getType();
1598
1599     PHINode *TcPhi = PHINode::Create(Ty, 2, "tcphi", &Body->front());
1600
1601     Builder.SetInsertPoint(LbCond);
1602     Instruction *TcDec = cast<Instruction>(
1603         Builder.CreateSub(TcPhi, ConstantInt::get(Ty, 1),
1604                           "tcdec", false, true));
1605
1606     TcPhi->addIncoming(TripCnt, PreHead);
1607     TcPhi->addIncoming(TcDec, Body);
1608
1609     CmpInst::Predicate Pred =
1610         (LbBr->getSuccessor(0) == Body) ? CmpInst::ICMP_UGT : CmpInst::ICMP_SLE;
1611     LbCond->setPredicate(Pred);
1612     LbCond->setOperand(0, TcDec);
1613     LbCond->setOperand(1, ConstantInt::get(Ty, 0));
1614   }
1615
1616   // Step 4: All the references to the original population counter outside
1617   //  the loop are replaced with the NewCount -- the value returned from
1618   //  __builtin_ctpop().
1619   CntInst->replaceUsesOutsideBlock(NewCount, Body);
1620
1621   // step 5: Forget the "non-computable" trip-count SCEV associated with the
1622   //   loop. The loop would otherwise not be deleted even if it becomes empty.
1623   SE->forgetLoop(CurLoop);
1624 }