]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/LoopStrengthReduce.cpp
Merge ^/head r327624 through r327885.
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / Scalar / LoopStrengthReduce.cpp
1 //===- LoopStrengthReduce.cpp - Strength Reduce IVs in Loops --------------===//
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 transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into forms suitable for efficient execution
12 // on the target.
13 //
14 // This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
15 // have as one or more of their components the loop induction variable, it
16 // rewrites expressions to take advantage of scaled-index addressing modes
17 // available on the target, and it performs a variety of other optimizations
18 // related to loop induction variables.
19 //
20 // Terminology note: this code has a lot of handling for "post-increment" or
21 // "post-inc" users. This is not talking about post-increment addressing modes;
22 // it is instead talking about code like this:
23 //
24 //   %i = phi [ 0, %entry ], [ %i.next, %latch ]
25 //   ...
26 //   %i.next = add %i, 1
27 //   %c = icmp eq %i.next, %n
28 //
29 // The SCEV for %i is {0,+,1}<%L>. The SCEV for %i.next is {1,+,1}<%L>, however
30 // it's useful to think about these as the same register, with some uses using
31 // the value of the register before the add and some using it after. In this
32 // example, the icmp is a post-increment user, since it uses %i.next, which is
33 // the value of the induction variable after the increment. The other common
34 // case of post-increment users is users outside the loop.
35 //
36 // TODO: More sophistication in the way Formulae are generated and filtered.
37 //
38 // TODO: Handle multiple loops at a time.
39 //
40 // TODO: Should the addressing mode BaseGV be changed to a ConstantExpr instead
41 //       of a GlobalValue?
42 //
43 // TODO: When truncation is free, truncate ICmp users' operands to make it a
44 //       smaller encoding (on x86 at least).
45 //
46 // TODO: When a negated register is used by an add (such as in a list of
47 //       multiple base registers, or as the increment expression in an addrec),
48 //       we may not actually need both reg and (-1 * reg) in registers; the
49 //       negation can be implemented by using a sub instead of an add. The
50 //       lack of support for taking this into consideration when making
51 //       register pressure decisions is partly worked around by the "Special"
52 //       use kind.
53 //
54 //===----------------------------------------------------------------------===//
55
56 #include "llvm/Transforms/Scalar/LoopStrengthReduce.h"
57 #include "llvm/ADT/APInt.h"
58 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
59 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
60 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
61 #include "llvm/ADT/PointerIntPair.h"
62 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
63 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
64 #include "llvm/ADT/SmallBitVector.h"
65 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
66 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
67 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
68 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
69 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
70 #include "llvm/Analysis/LoopAnalysisManager.h"
71 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
72 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
73 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
74 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
75 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
76 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionNormalization.h"
77 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
78 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
79 #include "llvm/IR/Constant.h"
80 #include "llvm/IR/Constants.h"
81 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
82 #include "llvm/IR/Dominators.h"
83 #include "llvm/IR/GlobalValue.h"
84 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
85 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
86 #include "llvm/IR/Instruction.h"
87 #include "llvm/IR/Instructions.h"
88 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
89 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
90 #include "llvm/IR/Module.h"
91 #include "llvm/IR/OperandTraits.h"
92 #include "llvm/IR/Operator.h"
93 #include "llvm/IR/PassManager.h"
94 #include "llvm/IR/Type.h"
95 #include "llvm/IR/Use.h"
96 #include "llvm/IR/User.h"
97 #include "llvm/IR/Value.h"
98 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
99 #include "llvm/Pass.h"
100 #include "llvm/Support/Casting.h"
101 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
102 #include "llvm/Support/Compiler.h"
103 #include "llvm/Support/Debug.h"
104 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
105 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
106 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
107 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
108 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
109 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
110 #include <algorithm>
111 #include <cassert>
112 #include <cstddef>
113 #include <cstdint>
114 #include <cstdlib>
115 #include <iterator>
116 #include <limits>
117 #include <map>
118 #include <utility>
119
120 using namespace llvm;
121
122 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
123
124 /// MaxIVUsers is an arbitrary threshold that provides an early opportunitiy for
125 /// bail out. This threshold is far beyond the number of users that LSR can
126 /// conceivably solve, so it should not affect generated code, but catches the
127 /// worst cases before LSR burns too much compile time and stack space.
128 static const unsigned MaxIVUsers = 200;
129
130 // Temporary flag to cleanup congruent phis after LSR phi expansion.
131 // It's currently disabled until we can determine whether it's truly useful or
132 // not. The flag should be removed after the v3.0 release.
133 // This is now needed for ivchains.
134 static cl::opt<bool> EnablePhiElim(
135   "enable-lsr-phielim", cl::Hidden, cl::init(true),
136   cl::desc("Enable LSR phi elimination"));
137
138 // The flag adds instruction count to solutions cost comparision.
139 static cl::opt<bool> InsnsCost(
140   "lsr-insns-cost", cl::Hidden, cl::init(true),
141   cl::desc("Add instruction count to a LSR cost model"));
142
143 // Flag to choose how to narrow complex lsr solution
144 static cl::opt<bool> LSRExpNarrow(
145   "lsr-exp-narrow", cl::Hidden, cl::init(false),
146   cl::desc("Narrow LSR complex solution using"
147            " expectation of registers number"));
148
149 // Flag to narrow search space by filtering non-optimal formulae with
150 // the same ScaledReg and Scale.
151 static cl::opt<bool> FilterSameScaledReg(
152     "lsr-filter-same-scaled-reg", cl::Hidden, cl::init(true),
153     cl::desc("Narrow LSR search space by filtering non-optimal formulae"
154              " with the same ScaledReg and Scale"));
155
156 #ifndef NDEBUG
157 // Stress test IV chain generation.
158 static cl::opt<bool> StressIVChain(
159   "stress-ivchain", cl::Hidden, cl::init(false),
160   cl::desc("Stress test LSR IV chains"));
161 #else
162 static bool StressIVChain = false;
163 #endif
164
165 namespace {
166
167 struct MemAccessTy {
168   /// Used in situations where the accessed memory type is unknown.
169   static const unsigned UnknownAddressSpace =
170       std::numeric_limits<unsigned>::max();
171
172   Type *MemTy = nullptr;
173   unsigned AddrSpace = UnknownAddressSpace;
174
175   MemAccessTy() = default;
176   MemAccessTy(Type *Ty, unsigned AS) : MemTy(Ty), AddrSpace(AS) {}
177
178   bool operator==(MemAccessTy Other) const {
179     return MemTy == Other.MemTy && AddrSpace == Other.AddrSpace;
180   }
181
182   bool operator!=(MemAccessTy Other) const { return !(*this == Other); }
183
184   static MemAccessTy getUnknown(LLVMContext &Ctx,
185                                 unsigned AS = UnknownAddressSpace) {
186     return MemAccessTy(Type::getVoidTy(Ctx), AS);
187   }
188 };
189
190 /// This class holds data which is used to order reuse candidates.
191 class RegSortData {
192 public:
193   /// This represents the set of LSRUse indices which reference
194   /// a particular register.
195   SmallBitVector UsedByIndices;
196
197   void print(raw_ostream &OS) const;
198   void dump() const;
199 };
200
201 } // end anonymous namespace
202
203 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
204 void RegSortData::print(raw_ostream &OS) const {
205   OS << "[NumUses=" << UsedByIndices.count() << ']';
206 }
207
208 LLVM_DUMP_METHOD void RegSortData::dump() const {
209   print(errs()); errs() << '\n';
210 }
211 #endif
212
213 namespace {
214
215 /// Map register candidates to information about how they are used.
216 class RegUseTracker {
217   using RegUsesTy = DenseMap<const SCEV *, RegSortData>;
218
219   RegUsesTy RegUsesMap;
220   SmallVector<const SCEV *, 16> RegSequence;
221
222 public:
223   void countRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
224   void dropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
225   void swapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx);
226
227   bool isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const;
228
229   const SmallBitVector &getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const;
230
231   void clear();
232
233   using iterator = SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator;
234   using const_iterator = SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator;
235
236   iterator begin() { return RegSequence.begin(); }
237   iterator end()   { return RegSequence.end(); }
238   const_iterator begin() const { return RegSequence.begin(); }
239   const_iterator end() const   { return RegSequence.end(); }
240 };
241
242 } // end anonymous namespace
243
244 void
245 RegUseTracker::countRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
246   std::pair<RegUsesTy::iterator, bool> Pair =
247     RegUsesMap.insert(std::make_pair(Reg, RegSortData()));
248   RegSortData &RSD = Pair.first->second;
249   if (Pair.second)
250     RegSequence.push_back(Reg);
251   RSD.UsedByIndices.resize(std::max(RSD.UsedByIndices.size(), LUIdx + 1));
252   RSD.UsedByIndices.set(LUIdx);
253 }
254
255 void
256 RegUseTracker::dropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
257   RegUsesTy::iterator It = RegUsesMap.find(Reg);
258   assert(It != RegUsesMap.end());
259   RegSortData &RSD = It->second;
260   assert(RSD.UsedByIndices.size() > LUIdx);
261   RSD.UsedByIndices.reset(LUIdx);
262 }
263
264 void
265 RegUseTracker::swapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx) {
266   assert(LUIdx <= LastLUIdx);
267
268   // Update RegUses. The data structure is not optimized for this purpose;
269   // we must iterate through it and update each of the bit vectors.
270   for (auto &Pair : RegUsesMap) {
271     SmallBitVector &UsedByIndices = Pair.second.UsedByIndices;
272     if (LUIdx < UsedByIndices.size())
273       UsedByIndices[LUIdx] =
274         LastLUIdx < UsedByIndices.size() ? UsedByIndices[LastLUIdx] : false;
275     UsedByIndices.resize(std::min(UsedByIndices.size(), LastLUIdx));
276   }
277 }
278
279 bool
280 RegUseTracker::isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const {
281   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
282   if (I == RegUsesMap.end())
283     return false;
284   const SmallBitVector &UsedByIndices = I->second.UsedByIndices;
285   int i = UsedByIndices.find_first();
286   if (i == -1) return false;
287   if ((size_t)i != LUIdx) return true;
288   return UsedByIndices.find_next(i) != -1;
289 }
290
291 const SmallBitVector &RegUseTracker::getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const {
292   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
293   assert(I != RegUsesMap.end() && "Unknown register!");
294   return I->second.UsedByIndices;
295 }
296
297 void RegUseTracker::clear() {
298   RegUsesMap.clear();
299   RegSequence.clear();
300 }
301
302 namespace {
303
304 /// This class holds information that describes a formula for computing
305 /// satisfying a use. It may include broken-out immediates and scaled registers.
306 struct Formula {
307   /// Global base address used for complex addressing.
308   GlobalValue *BaseGV = nullptr;
309
310   /// Base offset for complex addressing.
311   int64_t BaseOffset = 0;
312
313   /// Whether any complex addressing has a base register.
314   bool HasBaseReg = false;
315
316   /// The scale of any complex addressing.
317   int64_t Scale = 0;
318
319   /// The list of "base" registers for this use. When this is non-empty. The
320   /// canonical representation of a formula is
321   /// 1. BaseRegs.size > 1 implies ScaledReg != NULL and
322   /// 2. ScaledReg != NULL implies Scale != 1 || !BaseRegs.empty().
323   /// 3. The reg containing recurrent expr related with currect loop in the
324   /// formula should be put in the ScaledReg.
325   /// #1 enforces that the scaled register is always used when at least two
326   /// registers are needed by the formula: e.g., reg1 + reg2 is reg1 + 1 * reg2.
327   /// #2 enforces that 1 * reg is reg.
328   /// #3 ensures invariant regs with respect to current loop can be combined
329   /// together in LSR codegen.
330   /// This invariant can be temporarly broken while building a formula.
331   /// However, every formula inserted into the LSRInstance must be in canonical
332   /// form.
333   SmallVector<const SCEV *, 4> BaseRegs;
334
335   /// The 'scaled' register for this use. This should be non-null when Scale is
336   /// not zero.
337   const SCEV *ScaledReg = nullptr;
338
339   /// An additional constant offset which added near the use. This requires a
340   /// temporary register, but the offset itself can live in an add immediate
341   /// field rather than a register.
342   int64_t UnfoldedOffset = 0;
343
344   Formula() = default;
345
346   void initialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE);
347
348   bool isCanonical(const Loop &L) const;
349
350   void canonicalize(const Loop &L);
351
352   bool unscale();
353
354   bool hasZeroEnd() const;
355
356   size_t getNumRegs() const;
357   Type *getType() const;
358
359   void deleteBaseReg(const SCEV *&S);
360
361   bool referencesReg(const SCEV *S) const;
362   bool hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
363                                   const RegUseTracker &RegUses) const;
364
365   void print(raw_ostream &OS) const;
366   void dump() const;
367 };
368
369 } // end anonymous namespace
370
371 /// Recursion helper for initialMatch.
372 static void DoInitialMatch(const SCEV *S, Loop *L,
373                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Good,
374                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Bad,
375                            ScalarEvolution &SE) {
376   // Collect expressions which properly dominate the loop header.
377   if (SE.properlyDominates(S, L->getHeader())) {
378     Good.push_back(S);
379     return;
380   }
381
382   // Look at add operands.
383   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
384     for (const SCEV *S : Add->operands())
385       DoInitialMatch(S, L, Good, Bad, SE);
386     return;
387   }
388
389   // Look at addrec operands.
390   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
391     if (!AR->getStart()->isZero() && AR->isAffine()) {
392       DoInitialMatch(AR->getStart(), L, Good, Bad, SE);
393       DoInitialMatch(SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(AR->getType(), 0),
394                                       AR->getStepRecurrence(SE),
395                                       // FIXME: AR->getNoWrapFlags()
396                                       AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap),
397                      L, Good, Bad, SE);
398       return;
399     }
400
401   // Handle a multiplication by -1 (negation) if it didn't fold.
402   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S))
403     if (Mul->getOperand(0)->isAllOnesValue()) {
404       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(Mul->op_begin()+1, Mul->op_end());
405       const SCEV *NewMul = SE.getMulExpr(Ops);
406
407       SmallVector<const SCEV *, 4> MyGood;
408       SmallVector<const SCEV *, 4> MyBad;
409       DoInitialMatch(NewMul, L, MyGood, MyBad, SE);
410       const SCEV *NegOne = SE.getSCEV(ConstantInt::getAllOnesValue(
411         SE.getEffectiveSCEVType(NewMul->getType())));
412       for (const SCEV *S : MyGood)
413         Good.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, S));
414       for (const SCEV *S : MyBad)
415         Bad.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, S));
416       return;
417     }
418
419   // Ok, we can't do anything interesting. Just stuff the whole thing into a
420   // register and hope for the best.
421   Bad.push_back(S);
422 }
423
424 /// Incorporate loop-variant parts of S into this Formula, attempting to keep
425 /// all loop-invariant and loop-computable values in a single base register.
426 void Formula::initialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
427   SmallVector<const SCEV *, 4> Good;
428   SmallVector<const SCEV *, 4> Bad;
429   DoInitialMatch(S, L, Good, Bad, SE);
430   if (!Good.empty()) {
431     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Good);
432     if (!Sum->isZero())
433       BaseRegs.push_back(Sum);
434     HasBaseReg = true;
435   }
436   if (!Bad.empty()) {
437     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Bad);
438     if (!Sum->isZero())
439       BaseRegs.push_back(Sum);
440     HasBaseReg = true;
441   }
442   canonicalize(*L);
443 }
444
445 /// \brief Check whether or not this formula statisfies the canonical
446 /// representation.
447 /// \see Formula::BaseRegs.
448 bool Formula::isCanonical(const Loop &L) const {
449   if (!ScaledReg)
450     return BaseRegs.size() <= 1;
451
452   if (Scale != 1)
453     return true;
454
455   if (Scale == 1 && BaseRegs.empty())
456     return false;
457
458   const SCEVAddRecExpr *SAR = dyn_cast<const SCEVAddRecExpr>(ScaledReg);
459   if (SAR && SAR->getLoop() == &L)
460     return true;
461
462   // If ScaledReg is not a recurrent expr, or it is but its loop is not current
463   // loop, meanwhile BaseRegs contains a recurrent expr reg related with current
464   // loop, we want to swap the reg in BaseRegs with ScaledReg.
465   auto I =
466       find_if(make_range(BaseRegs.begin(), BaseRegs.end()), [&](const SCEV *S) {
467         return isa<const SCEVAddRecExpr>(S) &&
468                (cast<SCEVAddRecExpr>(S)->getLoop() == &L);
469       });
470   return I == BaseRegs.end();
471 }
472
473 /// \brief Helper method to morph a formula into its canonical representation.
474 /// \see Formula::BaseRegs.
475 /// Every formula having more than one base register, must use the ScaledReg
476 /// field. Otherwise, we would have to do special cases everywhere in LSR
477 /// to treat reg1 + reg2 + ... the same way as reg1 + 1*reg2 + ...
478 /// On the other hand, 1*reg should be canonicalized into reg.
479 void Formula::canonicalize(const Loop &L) {
480   if (isCanonical(L))
481     return;
482   // So far we did not need this case. This is easy to implement but it is
483   // useless to maintain dead code. Beside it could hurt compile time.
484   assert(!BaseRegs.empty() && "1*reg => reg, should not be needed.");
485
486   // Keep the invariant sum in BaseRegs and one of the variant sum in ScaledReg.
487   if (!ScaledReg) {
488     ScaledReg = BaseRegs.back();
489     BaseRegs.pop_back();
490     Scale = 1;
491   }
492
493   // If ScaledReg is an invariant with respect to L, find the reg from
494   // BaseRegs containing the recurrent expr related with Loop L. Swap the
495   // reg with ScaledReg.
496   const SCEVAddRecExpr *SAR = dyn_cast<const SCEVAddRecExpr>(ScaledReg);
497   if (!SAR || SAR->getLoop() != &L) {
498     auto I = find_if(make_range(BaseRegs.begin(), BaseRegs.end()),
499                      [&](const SCEV *S) {
500                        return isa<const SCEVAddRecExpr>(S) &&
501                               (cast<SCEVAddRecExpr>(S)->getLoop() == &L);
502                      });
503     if (I != BaseRegs.end())
504       std::swap(ScaledReg, *I);
505   }
506 }
507
508 /// \brief Get rid of the scale in the formula.
509 /// In other words, this method morphes reg1 + 1*reg2 into reg1 + reg2.
510 /// \return true if it was possible to get rid of the scale, false otherwise.
511 /// \note After this operation the formula may not be in the canonical form.
512 bool Formula::unscale() {
513   if (Scale != 1)
514     return false;
515   Scale = 0;
516   BaseRegs.push_back(ScaledReg);
517   ScaledReg = nullptr;
518   return true;
519 }
520
521 bool Formula::hasZeroEnd() const {
522   if (UnfoldedOffset || BaseOffset)
523     return false;
524   if (BaseRegs.size() != 1 || ScaledReg)
525     return false;
526   return true;
527 }
528
529 /// Return the total number of register operands used by this formula. This does
530 /// not include register uses implied by non-constant addrec strides.
531 size_t Formula::getNumRegs() const {
532   return !!ScaledReg + BaseRegs.size();
533 }
534
535 /// Return the type of this formula, if it has one, or null otherwise. This type
536 /// is meaningless except for the bit size.
537 Type *Formula::getType() const {
538   return !BaseRegs.empty() ? BaseRegs.front()->getType() :
539          ScaledReg ? ScaledReg->getType() :
540          BaseGV ? BaseGV->getType() :
541          nullptr;
542 }
543
544 /// Delete the given base reg from the BaseRegs list.
545 void Formula::deleteBaseReg(const SCEV *&S) {
546   if (&S != &BaseRegs.back())
547     std::swap(S, BaseRegs.back());
548   BaseRegs.pop_back();
549 }
550
551 /// Test if this formula references the given register.
552 bool Formula::referencesReg(const SCEV *S) const {
553   return S == ScaledReg || is_contained(BaseRegs, S);
554 }
555
556 /// Test whether this formula uses registers which are used by uses other than
557 /// the use with the given index.
558 bool Formula::hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
559                                          const RegUseTracker &RegUses) const {
560   if (ScaledReg)
561     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(ScaledReg, LUIdx))
562       return true;
563   for (const SCEV *BaseReg : BaseRegs)
564     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(BaseReg, LUIdx))
565       return true;
566   return false;
567 }
568
569 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
570 void Formula::print(raw_ostream &OS) const {
571   bool First = true;
572   if (BaseGV) {
573     if (!First) OS << " + "; else First = false;
574     BaseGV->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
575   }
576   if (BaseOffset != 0) {
577     if (!First) OS << " + "; else First = false;
578     OS << BaseOffset;
579   }
580   for (const SCEV *BaseReg : BaseRegs) {
581     if (!First) OS << " + "; else First = false;
582     OS << "reg(" << *BaseReg << ')';
583   }
584   if (HasBaseReg && BaseRegs.empty()) {
585     if (!First) OS << " + "; else First = false;
586     OS << "**error: HasBaseReg**";
587   } else if (!HasBaseReg && !BaseRegs.empty()) {
588     if (!First) OS << " + "; else First = false;
589     OS << "**error: !HasBaseReg**";
590   }
591   if (Scale != 0) {
592     if (!First) OS << " + "; else First = false;
593     OS << Scale << "*reg(";
594     if (ScaledReg)
595       OS << *ScaledReg;
596     else
597       OS << "<unknown>";
598     OS << ')';
599   }
600   if (UnfoldedOffset != 0) {
601     if (!First) OS << " + ";
602     OS << "imm(" << UnfoldedOffset << ')';
603   }
604 }
605
606 LLVM_DUMP_METHOD void Formula::dump() const {
607   print(errs()); errs() << '\n';
608 }
609 #endif
610
611 /// Return true if the given addrec can be sign-extended without changing its
612 /// value.
613 static bool isAddRecSExtable(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
614   Type *WideTy =
615     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(AR->getType()) + 1);
616   return isa<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
617 }
618
619 /// Return true if the given add can be sign-extended without changing its
620 /// value.
621 static bool isAddSExtable(const SCEVAddExpr *A, ScalarEvolution &SE) {
622   Type *WideTy =
623     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) + 1);
624   return isa<SCEVAddExpr>(SE.getSignExtendExpr(A, WideTy));
625 }
626
627 /// Return true if the given mul can be sign-extended without changing its
628 /// value.
629 static bool isMulSExtable(const SCEVMulExpr *M, ScalarEvolution &SE) {
630   Type *WideTy =
631     IntegerType::get(SE.getContext(),
632                      SE.getTypeSizeInBits(M->getType()) * M->getNumOperands());
633   return isa<SCEVMulExpr>(SE.getSignExtendExpr(M, WideTy));
634 }
635
636 /// Return an expression for LHS /s RHS, if it can be determined and if the
637 /// remainder is known to be zero, or null otherwise. If IgnoreSignificantBits
638 /// is true, expressions like (X * Y) /s Y are simplified to Y, ignoring that
639 /// the multiplication may overflow, which is useful when the result will be
640 /// used in a context where the most significant bits are ignored.
641 static const SCEV *getExactSDiv(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
642                                 ScalarEvolution &SE,
643                                 bool IgnoreSignificantBits = false) {
644   // Handle the trivial case, which works for any SCEV type.
645   if (LHS == RHS)
646     return SE.getConstant(LHS->getType(), 1);
647
648   // Handle a few RHS special cases.
649   const SCEVConstant *RC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
650   if (RC) {
651     const APInt &RA = RC->getAPInt();
652     // Handle x /s -1 as x * -1, to give ScalarEvolution a chance to do
653     // some folding.
654     if (RA.isAllOnesValue())
655       return SE.getMulExpr(LHS, RC);
656     // Handle x /s 1 as x.
657     if (RA == 1)
658       return LHS;
659   }
660
661   // Check for a division of a constant by a constant.
662   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
663     if (!RC)
664       return nullptr;
665     const APInt &LA = C->getAPInt();
666     const APInt &RA = RC->getAPInt();
667     if (LA.srem(RA) != 0)
668       return nullptr;
669     return SE.getConstant(LA.sdiv(RA));
670   }
671
672   // Distribute the sdiv over addrec operands, if the addrec doesn't overflow.
673   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS)) {
674     if ((IgnoreSignificantBits || isAddRecSExtable(AR, SE)) && AR->isAffine()) {
675       const SCEV *Step = getExactSDiv(AR->getStepRecurrence(SE), RHS, SE,
676                                       IgnoreSignificantBits);
677       if (!Step) return nullptr;
678       const SCEV *Start = getExactSDiv(AR->getStart(), RHS, SE,
679                                        IgnoreSignificantBits);
680       if (!Start) return nullptr;
681       // FlagNW is independent of the start value, step direction, and is
682       // preserved with smaller magnitude steps.
683       // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
684       return SE.getAddRecExpr(Start, Step, AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap);
685     }
686     return nullptr;
687   }
688
689   // Distribute the sdiv over add operands, if the add doesn't overflow.
690   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(LHS)) {
691     if (IgnoreSignificantBits || isAddSExtable(Add, SE)) {
692       SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
693       for (const SCEV *S : Add->operands()) {
694         const SCEV *Op = getExactSDiv(S, RHS, SE, IgnoreSignificantBits);
695         if (!Op) return nullptr;
696         Ops.push_back(Op);
697       }
698       return SE.getAddExpr(Ops);
699     }
700     return nullptr;
701   }
702
703   // Check for a multiply operand that we can pull RHS out of.
704   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(LHS)) {
705     if (IgnoreSignificantBits || isMulSExtable(Mul, SE)) {
706       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
707       bool Found = false;
708       for (const SCEV *S : Mul->operands()) {
709         if (!Found)
710           if (const SCEV *Q = getExactSDiv(S, RHS, SE,
711                                            IgnoreSignificantBits)) {
712             S = Q;
713             Found = true;
714           }
715         Ops.push_back(S);
716       }
717       return Found ? SE.getMulExpr(Ops) : nullptr;
718     }
719     return nullptr;
720   }
721
722   // Otherwise we don't know.
723   return nullptr;
724 }
725
726 /// If S involves the addition of a constant integer value, return that integer
727 /// value, and mutate S to point to a new SCEV with that value excluded.
728 static int64_t ExtractImmediate(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
729   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
730     if (C->getAPInt().getMinSignedBits() <= 64) {
731       S = SE.getConstant(C->getType(), 0);
732       return C->getValue()->getSExtValue();
733     }
734   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
735     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
736     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
737     if (Result != 0)
738       S = SE.getAddExpr(NewOps);
739     return Result;
740   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
741     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
742     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
743     if (Result != 0)
744       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
745                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
746                            SCEV::FlagAnyWrap);
747     return Result;
748   }
749   return 0;
750 }
751
752 /// If S involves the addition of a GlobalValue address, return that symbol, and
753 /// mutate S to point to a new SCEV with that value excluded.
754 static GlobalValue *ExtractSymbol(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
755   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
756     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue())) {
757       S = SE.getConstant(GV->getType(), 0);
758       return GV;
759     }
760   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
761     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
762     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.back(), SE);
763     if (Result)
764       S = SE.getAddExpr(NewOps);
765     return Result;
766   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
767     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
768     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.front(), SE);
769     if (Result)
770       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
771                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
772                            SCEV::FlagAnyWrap);
773     return Result;
774   }
775   return nullptr;
776 }
777
778 /// Returns true if the specified instruction is using the specified value as an
779 /// address.
780 static bool isAddressUse(const TargetTransformInfo &TTI,
781                          Instruction *Inst, Value *OperandVal) {
782   bool isAddress = isa<LoadInst>(Inst);
783   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
784     if (SI->getPointerOperand() == OperandVal)
785       isAddress = true;
786   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
787     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
788     // of intrinsics.
789     switch (II->getIntrinsicID()) {
790     case Intrinsic::memset:
791     case Intrinsic::prefetch:
792       if (II->getArgOperand(0) == OperandVal)
793         isAddress = true;
794       break;
795     case Intrinsic::memmove:
796     case Intrinsic::memcpy:
797       if (II->getArgOperand(0) == OperandVal ||
798           II->getArgOperand(1) == OperandVal)
799         isAddress = true;
800       break;
801     default: {
802       MemIntrinsicInfo IntrInfo;
803       if (TTI.getTgtMemIntrinsic(II, IntrInfo)) {
804         if (IntrInfo.PtrVal == OperandVal)
805           isAddress = true;
806       }
807     }
808     }
809   } else if (AtomicRMWInst *RMW = dyn_cast<AtomicRMWInst>(Inst)) {
810     if (RMW->getPointerOperand() == OperandVal)
811       isAddress = true;
812   } else if (AtomicCmpXchgInst *CmpX = dyn_cast<AtomicCmpXchgInst>(Inst)) {
813     if (CmpX->getPointerOperand() == OperandVal)
814       isAddress = true;
815   }
816   return isAddress;
817 }
818
819 /// Return the type of the memory being accessed.
820 static MemAccessTy getAccessType(const TargetTransformInfo &TTI,
821                                  Instruction *Inst) {
822   MemAccessTy AccessTy(Inst->getType(), MemAccessTy::UnknownAddressSpace);
823   if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
824     AccessTy.MemTy = SI->getOperand(0)->getType();
825     AccessTy.AddrSpace = SI->getPointerAddressSpace();
826   } else if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
827     AccessTy.AddrSpace = LI->getPointerAddressSpace();
828   } else if (const AtomicRMWInst *RMW = dyn_cast<AtomicRMWInst>(Inst)) {
829     AccessTy.AddrSpace = RMW->getPointerAddressSpace();
830   } else if (const AtomicCmpXchgInst *CmpX = dyn_cast<AtomicCmpXchgInst>(Inst)) {
831     AccessTy.AddrSpace = CmpX->getPointerAddressSpace();
832   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
833     switch (II->getIntrinsicID()) {
834     case Intrinsic::prefetch:
835       AccessTy.AddrSpace = II->getArgOperand(0)->getType()->getPointerAddressSpace();
836       break;
837     default: {
838       MemIntrinsicInfo IntrInfo;
839       if (TTI.getTgtMemIntrinsic(II, IntrInfo) && IntrInfo.PtrVal) {
840         AccessTy.AddrSpace
841           = IntrInfo.PtrVal->getType()->getPointerAddressSpace();
842       }
843
844       break;
845     }
846     }
847   }
848
849   // All pointers have the same requirements, so canonicalize them to an
850   // arbitrary pointer type to minimize variation.
851   if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(AccessTy.MemTy))
852     AccessTy.MemTy = PointerType::get(IntegerType::get(PTy->getContext(), 1),
853                                       PTy->getAddressSpace());
854
855   return AccessTy;
856 }
857
858 /// Return true if this AddRec is already a phi in its loop.
859 static bool isExistingPhi(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
860   for (PHINode &PN : AR->getLoop()->getHeader()->phis()) {
861     if (SE.isSCEVable(PN.getType()) &&
862         (SE.getEffectiveSCEVType(PN.getType()) ==
863          SE.getEffectiveSCEVType(AR->getType())) &&
864         SE.getSCEV(&PN) == AR)
865       return true;
866   }
867   return false;
868 }
869
870 /// Check if expanding this expression is likely to incur significant cost. This
871 /// is tricky because SCEV doesn't track which expressions are actually computed
872 /// by the current IR.
873 ///
874 /// We currently allow expansion of IV increments that involve adds,
875 /// multiplication by constants, and AddRecs from existing phis.
876 ///
877 /// TODO: Allow UDivExpr if we can find an existing IV increment that is an
878 /// obvious multiple of the UDivExpr.
879 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S,
880                                 SmallPtrSetImpl<const SCEV*> &Processed,
881                                 ScalarEvolution &SE) {
882   // Zero/One operand expressions
883   switch (S->getSCEVType()) {
884   case scUnknown:
885   case scConstant:
886     return false;
887   case scTruncate:
888     return isHighCostExpansion(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand(),
889                                Processed, SE);
890   case scZeroExtend:
891     return isHighCostExpansion(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand(),
892                                Processed, SE);
893   case scSignExtend:
894     return isHighCostExpansion(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand(),
895                                Processed, SE);
896   }
897
898   if (!Processed.insert(S).second)
899     return false;
900
901   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
902     for (const SCEV *S : Add->operands()) {
903       if (isHighCostExpansion(S, Processed, SE))
904         return true;
905     }
906     return false;
907   }
908
909   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
910     if (Mul->getNumOperands() == 2) {
911       // Multiplication by a constant is ok
912       if (isa<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0)))
913         return isHighCostExpansion(Mul->getOperand(1), Processed, SE);
914
915       // If we have the value of one operand, check if an existing
916       // multiplication already generates this expression.
917       if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(Mul->getOperand(1))) {
918         Value *UVal = U->getValue();
919         for (User *UR : UVal->users()) {
920           // If U is a constant, it may be used by a ConstantExpr.
921           Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(UR);
922           if (UI && UI->getOpcode() == Instruction::Mul &&
923               SE.isSCEVable(UI->getType())) {
924             return SE.getSCEV(UI) == Mul;
925           }
926         }
927       }
928     }
929   }
930
931   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
932     if (isExistingPhi(AR, SE))
933       return false;
934   }
935
936   // Fow now, consider any other type of expression (div/mul/min/max) high cost.
937   return true;
938 }
939
940 /// If any of the instructions is the specified set are trivially dead, delete
941 /// them and see if this makes any of their operands subsequently dead.
942 static bool
943 DeleteTriviallyDeadInstructions(SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) {
944   bool Changed = false;
945
946   while (!DeadInsts.empty()) {
947     Value *V = DeadInsts.pop_back_val();
948     Instruction *I = dyn_cast_or_null<Instruction>(V);
949
950     if (!I || !isInstructionTriviallyDead(I))
951       continue;
952
953     for (Use &O : I->operands())
954       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(O)) {
955         O = nullptr;
956         if (U->use_empty())
957           DeadInsts.emplace_back(U);
958       }
959
960     I->eraseFromParent();
961     Changed = true;
962   }
963
964   return Changed;
965 }
966
967 namespace {
968
969 class LSRUse;
970
971 } // end anonymous namespace
972
973 /// \brief Check if the addressing mode defined by \p F is completely
974 /// folded in \p LU at isel time.
975 /// This includes address-mode folding and special icmp tricks.
976 /// This function returns true if \p LU can accommodate what \p F
977 /// defines and up to 1 base + 1 scaled + offset.
978 /// In other words, if \p F has several base registers, this function may
979 /// still return true. Therefore, users still need to account for
980 /// additional base registers and/or unfolded offsets to derive an
981 /// accurate cost model.
982 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
983                                  const LSRUse &LU, const Formula &F);
984
985 // Get the cost of the scaling factor used in F for LU.
986 static unsigned getScalingFactorCost(const TargetTransformInfo &TTI,
987                                      const LSRUse &LU, const Formula &F,
988                                      const Loop &L);
989
990 namespace {
991
992 /// This class is used to measure and compare candidate formulae.
993 class Cost {
994   TargetTransformInfo::LSRCost C;
995
996 public:
997   Cost() {
998     C.Insns = 0;
999     C.NumRegs = 0;
1000     C.AddRecCost = 0;
1001     C.NumIVMuls = 0;
1002     C.NumBaseAdds = 0;
1003     C.ImmCost = 0;
1004     C.SetupCost = 0;
1005     C.ScaleCost = 0;
1006   }
1007
1008   bool isLess(Cost &Other, const TargetTransformInfo &TTI);
1009
1010   void Lose();
1011
1012 #ifndef NDEBUG
1013   // Once any of the metrics loses, they must all remain losers.
1014   bool isValid() {
1015     return ((C.Insns | C.NumRegs | C.AddRecCost | C.NumIVMuls | C.NumBaseAdds
1016              | C.ImmCost | C.SetupCost | C.ScaleCost) != ~0u)
1017       || ((C.Insns & C.NumRegs & C.AddRecCost & C.NumIVMuls & C.NumBaseAdds
1018            & C.ImmCost & C.SetupCost & C.ScaleCost) == ~0u);
1019   }
1020 #endif
1021
1022   bool isLoser() {
1023     assert(isValid() && "invalid cost");
1024     return C.NumRegs == ~0u;
1025   }
1026
1027   void RateFormula(const TargetTransformInfo &TTI,
1028                    const Formula &F,
1029                    SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
1030                    const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
1031                    const Loop *L,
1032                    ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
1033                    const LSRUse &LU,
1034                    SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs = nullptr);
1035
1036   void print(raw_ostream &OS) const;
1037   void dump() const;
1038
1039 private:
1040   void RateRegister(const SCEV *Reg,
1041                     SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
1042                     const Loop *L,
1043                     ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT);
1044   void RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
1045                            SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
1046                            const Loop *L,
1047                            ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
1048                            SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs);
1049 };
1050
1051 /// An operand value in an instruction which is to be replaced with some
1052 /// equivalent, possibly strength-reduced, replacement.
1053 struct LSRFixup {
1054   /// The instruction which will be updated.
1055   Instruction *UserInst = nullptr;
1056
1057   /// The operand of the instruction which will be replaced. The operand may be
1058   /// used more than once; every instance will be replaced.
1059   Value *OperandValToReplace = nullptr;
1060
1061   /// If this user is to use the post-incremented value of an induction
1062   /// variable, this set is non-empty and holds the loops associated with the
1063   /// induction variable.
1064   PostIncLoopSet PostIncLoops;
1065
1066   /// A constant offset to be added to the LSRUse expression.  This allows
1067   /// multiple fixups to share the same LSRUse with different offsets, for
1068   /// example in an unrolled loop.
1069   int64_t Offset = 0;
1070
1071   LSRFixup() = default;
1072
1073   bool isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const;
1074
1075   void print(raw_ostream &OS) const;
1076   void dump() const;
1077 };
1078
1079 /// A DenseMapInfo implementation for holding DenseMaps and DenseSets of sorted
1080 /// SmallVectors of const SCEV*.
1081 struct UniquifierDenseMapInfo {
1082   static SmallVector<const SCEV *, 4> getEmptyKey() {
1083     SmallVector<const SCEV *, 4>  V;
1084     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-1));
1085     return V;
1086   }
1087
1088   static SmallVector<const SCEV *, 4> getTombstoneKey() {
1089     SmallVector<const SCEV *, 4> V;
1090     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-2));
1091     return V;
1092   }
1093
1094   static unsigned getHashValue(const SmallVector<const SCEV *, 4> &V) {
1095     return static_cast<unsigned>(hash_combine_range(V.begin(), V.end()));
1096   }
1097
1098   static bool isEqual(const SmallVector<const SCEV *, 4> &LHS,
1099                       const SmallVector<const SCEV *, 4> &RHS) {
1100     return LHS == RHS;
1101   }
1102 };
1103
1104 /// This class holds the state that LSR keeps for each use in IVUsers, as well
1105 /// as uses invented by LSR itself. It includes information about what kinds of
1106 /// things can be folded into the user, information about the user itself, and
1107 /// information about how the use may be satisfied.  TODO: Represent multiple
1108 /// users of the same expression in common?
1109 class LSRUse {
1110   DenseSet<SmallVector<const SCEV *, 4>, UniquifierDenseMapInfo> Uniquifier;
1111
1112 public:
1113   /// An enum for a kind of use, indicating what types of scaled and immediate
1114   /// operands it might support.
1115   enum KindType {
1116     Basic,   ///< A normal use, with no folding.
1117     Special, ///< A special case of basic, allowing -1 scales.
1118     Address, ///< An address use; folding according to TargetLowering
1119     ICmpZero ///< An equality icmp with both operands folded into one.
1120     // TODO: Add a generic icmp too?
1121   };
1122
1123   using SCEVUseKindPair = PointerIntPair<const SCEV *, 2, KindType>;
1124
1125   KindType Kind;
1126   MemAccessTy AccessTy;
1127
1128   /// The list of operands which are to be replaced.
1129   SmallVector<LSRFixup, 8> Fixups;
1130
1131   /// Keep track of the min and max offsets of the fixups.
1132   int64_t MinOffset = std::numeric_limits<int64_t>::max();
1133   int64_t MaxOffset = std::numeric_limits<int64_t>::min();
1134
1135   /// This records whether all of the fixups using this LSRUse are outside of
1136   /// the loop, in which case some special-case heuristics may be used.
1137   bool AllFixupsOutsideLoop = true;
1138
1139   /// RigidFormula is set to true to guarantee that this use will be associated
1140   /// with a single formula--the one that initially matched. Some SCEV
1141   /// expressions cannot be expanded. This allows LSR to consider the registers
1142   /// used by those expressions without the need to expand them later after
1143   /// changing the formula.
1144   bool RigidFormula = false;
1145
1146   /// This records the widest use type for any fixup using this
1147   /// LSRUse. FindUseWithSimilarFormula can't consider uses with different max
1148   /// fixup widths to be equivalent, because the narrower one may be relying on
1149   /// the implicit truncation to truncate away bogus bits.
1150   Type *WidestFixupType = nullptr;
1151
1152   /// A list of ways to build a value that can satisfy this user.  After the
1153   /// list is populated, one of these is selected heuristically and used to
1154   /// formulate a replacement for OperandValToReplace in UserInst.
1155   SmallVector<Formula, 12> Formulae;
1156
1157   /// The set of register candidates used by all formulae in this LSRUse.
1158   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Regs;
1159
1160   LSRUse(KindType K, MemAccessTy AT) : Kind(K), AccessTy(AT) {}
1161
1162   LSRFixup &getNewFixup() {
1163     Fixups.push_back(LSRFixup());
1164     return Fixups.back();
1165   }
1166
1167   void pushFixup(LSRFixup &f) {
1168     Fixups.push_back(f);
1169     if (f.Offset > MaxOffset)
1170       MaxOffset = f.Offset;
1171     if (f.Offset < MinOffset)
1172       MinOffset = f.Offset;
1173   }
1174
1175   bool HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const;
1176   float getNotSelectedProbability(const SCEV *Reg) const;
1177   bool InsertFormula(const Formula &F, const Loop &L);
1178   void DeleteFormula(Formula &F);
1179   void RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &Reguses);
1180
1181   void print(raw_ostream &OS) const;
1182   void dump() const;
1183 };
1184
1185 } // end anonymous namespace
1186
1187 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1188                                  LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1189                                  GlobalValue *BaseGV, int64_t BaseOffset,
1190                                  bool HasBaseReg, int64_t Scale,
1191                                  Instruction *Fixup = nullptr);
1192
1193 /// Tally up interesting quantities from the given register.
1194 void Cost::RateRegister(const SCEV *Reg,
1195                         SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
1196                         const Loop *L,
1197                         ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
1198   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)) {
1199     // If this is an addrec for another loop, it should be an invariant
1200     // with respect to L since L is the innermost loop (at least
1201     // for now LSR only handles innermost loops).
1202     if (AR->getLoop() != L) {
1203       // If the AddRec exists, consider it's register free and leave it alone.
1204       if (isExistingPhi(AR, SE))
1205         return;
1206
1207       // It is bad to allow LSR for current loop to add induction variables
1208       // for its sibling loops.
1209       if (!AR->getLoop()->contains(L)) {
1210         Lose();
1211         return;
1212       }
1213
1214       // Otherwise, it will be an invariant with respect to Loop L.
1215       ++C.NumRegs;
1216       return;
1217     }
1218     C.AddRecCost += 1; /// TODO: This should be a function of the stride.
1219
1220     // Add the step value register, if it needs one.
1221     // TODO: The non-affine case isn't precisely modeled here.
1222     if (!AR->isAffine() || !isa<SCEVConstant>(AR->getOperand(1))) {
1223       if (!Regs.count(AR->getOperand(1))) {
1224         RateRegister(AR->getOperand(1), Regs, L, SE, DT);
1225         if (isLoser())
1226           return;
1227       }
1228     }
1229   }
1230   ++C.NumRegs;
1231
1232   // Rough heuristic; favor registers which don't require extra setup
1233   // instructions in the preheader.
1234   if (!isa<SCEVUnknown>(Reg) &&
1235       !isa<SCEVConstant>(Reg) &&
1236       !(isa<SCEVAddRecExpr>(Reg) &&
1237         (isa<SCEVUnknown>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()) ||
1238          isa<SCEVConstant>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()))))
1239     ++C.SetupCost;
1240
1241   C.NumIVMuls += isa<SCEVMulExpr>(Reg) &&
1242                SE.hasComputableLoopEvolution(Reg, L);
1243 }
1244
1245 /// Record this register in the set. If we haven't seen it before, rate
1246 /// it. Optional LoserRegs provides a way to declare any formula that refers to
1247 /// one of those regs an instant loser.
1248 void Cost::RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
1249                                SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
1250                                const Loop *L,
1251                                ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
1252                                SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs) {
1253   if (LoserRegs && LoserRegs->count(Reg)) {
1254     Lose();
1255     return;
1256   }
1257   if (Regs.insert(Reg).second) {
1258     RateRegister(Reg, Regs, L, SE, DT);
1259     if (LoserRegs && isLoser())
1260       LoserRegs->insert(Reg);
1261   }
1262 }
1263
1264 void Cost::RateFormula(const TargetTransformInfo &TTI,
1265                        const Formula &F,
1266                        SmallPtrSetImpl<const SCEV *> &Regs,
1267                        const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
1268                        const Loop *L,
1269                        ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
1270                        const LSRUse &LU,
1271                        SmallPtrSetImpl<const SCEV *> *LoserRegs) {
1272   assert(F.isCanonical(*L) && "Cost is accurate only for canonical formula");
1273   // Tally up the registers.
1274   unsigned PrevAddRecCost = C.AddRecCost;
1275   unsigned PrevNumRegs = C.NumRegs;
1276   unsigned PrevNumBaseAdds = C.NumBaseAdds;
1277   if (const SCEV *ScaledReg = F.ScaledReg) {
1278     if (VisitedRegs.count(ScaledReg)) {
1279       Lose();
1280       return;
1281     }
1282     RatePrimaryRegister(ScaledReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
1283     if (isLoser())
1284       return;
1285   }
1286   for (const SCEV *BaseReg : F.BaseRegs) {
1287     if (VisitedRegs.count(BaseReg)) {
1288       Lose();
1289       return;
1290     }
1291     RatePrimaryRegister(BaseReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
1292     if (isLoser())
1293       return;
1294   }
1295
1296   // Determine how many (unfolded) adds we'll need inside the loop.
1297   size_t NumBaseParts = F.getNumRegs();
1298   if (NumBaseParts > 1)
1299     // Do not count the base and a possible second register if the target
1300     // allows to fold 2 registers.
1301     C.NumBaseAdds +=
1302         NumBaseParts - (1 + (F.Scale && isAMCompletelyFolded(TTI, LU, F)));
1303   C.NumBaseAdds += (F.UnfoldedOffset != 0);
1304
1305   // Accumulate non-free scaling amounts.
1306   C.ScaleCost += getScalingFactorCost(TTI, LU, F, *L);
1307
1308   // Tally up the non-zero immediates.
1309   for (const LSRFixup &Fixup : LU.Fixups) {
1310     int64_t O = Fixup.Offset;
1311     int64_t Offset = (uint64_t)O + F.BaseOffset;
1312     if (F.BaseGV)
1313       C.ImmCost += 64; // Handle symbolic values conservatively.
1314                      // TODO: This should probably be the pointer size.
1315     else if (Offset != 0)
1316       C.ImmCost += APInt(64, Offset, true).getMinSignedBits();
1317
1318     // Check with target if this offset with this instruction is
1319     // specifically not supported.
1320     if (LU.Kind == LSRUse::Address && Offset != 0 &&
1321         !isAMCompletelyFolded(TTI, LSRUse::Address, LU.AccessTy, F.BaseGV,
1322                               Offset, F.HasBaseReg, F.Scale, Fixup.UserInst))
1323       C.NumBaseAdds++;
1324   }
1325
1326   // If we don't count instruction cost exit here.
1327   if (!InsnsCost) {
1328     assert(isValid() && "invalid cost");
1329     return;
1330   }
1331
1332   // Treat every new register that exceeds TTI.getNumberOfRegisters() - 1 as
1333   // additional instruction (at least fill).
1334   unsigned TTIRegNum = TTI.getNumberOfRegisters(false) - 1;
1335   if (C.NumRegs > TTIRegNum) {
1336     // Cost already exceeded TTIRegNum, then only newly added register can add
1337     // new instructions.
1338     if (PrevNumRegs > TTIRegNum)
1339       C.Insns += (C.NumRegs - PrevNumRegs);
1340     else
1341       C.Insns += (C.NumRegs - TTIRegNum);
1342   }
1343
1344   // If ICmpZero formula ends with not 0, it could not be replaced by
1345   // just add or sub. We'll need to compare final result of AddRec.
1346   // That means we'll need an additional instruction.
1347   // For -10 + {0, +, 1}:
1348   // i = i + 1;
1349   // cmp i, 10
1350   //
1351   // For {-10, +, 1}:
1352   // i = i + 1;
1353   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero && !F.hasZeroEnd())
1354     C.Insns++;
1355   // Each new AddRec adds 1 instruction to calculation.
1356   C.Insns += (C.AddRecCost - PrevAddRecCost);
1357
1358   // BaseAdds adds instructions for unfolded registers.
1359   if (LU.Kind != LSRUse::ICmpZero)
1360     C.Insns += C.NumBaseAdds - PrevNumBaseAdds;
1361   assert(isValid() && "invalid cost");
1362 }
1363
1364 /// Set this cost to a losing value.
1365 void Cost::Lose() {
1366   C.Insns = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1367   C.NumRegs = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1368   C.AddRecCost = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1369   C.NumIVMuls = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1370   C.NumBaseAdds = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1371   C.ImmCost = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1372   C.SetupCost = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1373   C.ScaleCost = std::numeric_limits<unsigned>::max();
1374 }
1375
1376 /// Choose the lower cost.
1377 bool Cost::isLess(Cost &Other, const TargetTransformInfo &TTI) {
1378   if (InsnsCost.getNumOccurrences() > 0 && InsnsCost &&
1379       C.Insns != Other.C.Insns)
1380     return C.Insns < Other.C.Insns;
1381   return TTI.isLSRCostLess(C, Other.C);
1382 }
1383
1384 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1385 void Cost::print(raw_ostream &OS) const {
1386   if (InsnsCost)
1387     OS << C.Insns << " instruction" << (C.Insns == 1 ? " " : "s ");
1388   OS << C.NumRegs << " reg" << (C.NumRegs == 1 ? "" : "s");
1389   if (C.AddRecCost != 0)
1390     OS << ", with addrec cost " << C.AddRecCost;
1391   if (C.NumIVMuls != 0)
1392     OS << ", plus " << C.NumIVMuls << " IV mul"
1393        << (C.NumIVMuls == 1 ? "" : "s");
1394   if (C.NumBaseAdds != 0)
1395     OS << ", plus " << C.NumBaseAdds << " base add"
1396        << (C.NumBaseAdds == 1 ? "" : "s");
1397   if (C.ScaleCost != 0)
1398     OS << ", plus " << C.ScaleCost << " scale cost";
1399   if (C.ImmCost != 0)
1400     OS << ", plus " << C.ImmCost << " imm cost";
1401   if (C.SetupCost != 0)
1402     OS << ", plus " << C.SetupCost << " setup cost";
1403 }
1404
1405 LLVM_DUMP_METHOD void Cost::dump() const {
1406   print(errs()); errs() << '\n';
1407 }
1408 #endif
1409
1410 /// Test whether this fixup always uses its value outside of the given loop.
1411 bool LSRFixup::isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const {
1412   // PHI nodes use their value in their incoming blocks.
1413   if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UserInst)) {
1414     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
1415       if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace &&
1416           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
1417         return false;
1418     return true;
1419   }
1420
1421   return !L->contains(UserInst);
1422 }
1423
1424 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1425 void LSRFixup::print(raw_ostream &OS) const {
1426   OS << "UserInst=";
1427   // Store is common and interesting enough to be worth special-casing.
1428   if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(UserInst)) {
1429     OS << "store ";
1430     Store->getOperand(0)->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1431   } else if (UserInst->getType()->isVoidTy())
1432     OS << UserInst->getOpcodeName();
1433   else
1434     UserInst->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1435
1436   OS << ", OperandValToReplace=";
1437   OperandValToReplace->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1438
1439   for (const Loop *PIL : PostIncLoops) {
1440     OS << ", PostIncLoop=";
1441     PIL->getHeader()->printAsOperand(OS, /*PrintType=*/false);
1442   }
1443
1444   if (Offset != 0)
1445     OS << ", Offset=" << Offset;
1446 }
1447
1448 LLVM_DUMP_METHOD void LSRFixup::dump() const {
1449   print(errs()); errs() << '\n';
1450 }
1451 #endif
1452
1453 /// Test whether this use as a formula which has the same registers as the given
1454 /// formula.
1455 bool LSRUse::HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const {
1456   SmallVector<const SCEV *, 4> Key = F.BaseRegs;
1457   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1458   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1459   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1460   return Uniquifier.count(Key);
1461 }
1462
1463 /// The function returns a probability of selecting formula without Reg.
1464 float LSRUse::getNotSelectedProbability(const SCEV *Reg) const {
1465   unsigned FNum = 0;
1466   for (const Formula &F : Formulae)
1467     if (F.referencesReg(Reg))
1468       FNum++;
1469   return ((float)(Formulae.size() - FNum)) / Formulae.size();
1470 }
1471
1472 /// If the given formula has not yet been inserted, add it to the list, and
1473 /// return true. Return false otherwise.  The formula must be in canonical form.
1474 bool LSRUse::InsertFormula(const Formula &F, const Loop &L) {
1475   assert(F.isCanonical(L) && "Invalid canonical representation");
1476
1477   if (!Formulae.empty() && RigidFormula)
1478     return false;
1479
1480   SmallVector<const SCEV *, 4> Key = F.BaseRegs;
1481   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1482   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1483   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1484
1485   if (!Uniquifier.insert(Key).second)
1486     return false;
1487
1488   // Using a register to hold the value of 0 is not profitable.
1489   assert((!F.ScaledReg || !F.ScaledReg->isZero()) &&
1490          "Zero allocated in a scaled register!");
1491 #ifndef NDEBUG
1492   for (const SCEV *BaseReg : F.BaseRegs)
1493     assert(!BaseReg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
1494 #endif
1495
1496   // Add the formula to the list.
1497   Formulae.push_back(F);
1498
1499   // Record registers now being used by this use.
1500   Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1501   if (F.ScaledReg)
1502     Regs.insert(F.ScaledReg);
1503
1504   return true;
1505 }
1506
1507 /// Remove the given formula from this use's list.
1508 void LSRUse::DeleteFormula(Formula &F) {
1509   if (&F != &Formulae.back())
1510     std::swap(F, Formulae.back());
1511   Formulae.pop_back();
1512 }
1513
1514 /// Recompute the Regs field, and update RegUses.
1515 void LSRUse::RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &RegUses) {
1516   // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
1517   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> OldRegs = std::move(Regs);
1518   Regs.clear();
1519   for (const Formula &F : Formulae) {
1520     if (F.ScaledReg) Regs.insert(F.ScaledReg);
1521     Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1522   }
1523
1524   // Update the RegTracker.
1525   for (const SCEV *S : OldRegs)
1526     if (!Regs.count(S))
1527       RegUses.dropRegister(S, LUIdx);
1528 }
1529
1530 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1531 void LSRUse::print(raw_ostream &OS) const {
1532   OS << "LSR Use: Kind=";
1533   switch (Kind) {
1534   case Basic:    OS << "Basic"; break;
1535   case Special:  OS << "Special"; break;
1536   case ICmpZero: OS << "ICmpZero"; break;
1537   case Address:
1538     OS << "Address of ";
1539     if (AccessTy.MemTy->isPointerTy())
1540       OS << "pointer"; // the full pointer type could be really verbose
1541     else {
1542       OS << *AccessTy.MemTy;
1543     }
1544
1545     OS << " in addrspace(" << AccessTy.AddrSpace << ')';
1546   }
1547
1548   OS << ", Offsets={";
1549   bool NeedComma = false;
1550   for (const LSRFixup &Fixup : Fixups) {
1551     if (NeedComma) OS << ',';
1552     OS << Fixup.Offset;
1553     NeedComma = true;
1554   }
1555   OS << '}';
1556
1557   if (AllFixupsOutsideLoop)
1558     OS << ", all-fixups-outside-loop";
1559
1560   if (WidestFixupType)
1561     OS << ", widest fixup type: " << *WidestFixupType;
1562 }
1563
1564 LLVM_DUMP_METHOD void LSRUse::dump() const {
1565   print(errs()); errs() << '\n';
1566 }
1567 #endif
1568
1569 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1570                                  LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1571                                  GlobalValue *BaseGV, int64_t BaseOffset,
1572                                  bool HasBaseReg, int64_t Scale,
1573                                  Instruction *Fixup/*= nullptr*/) {
1574   switch (Kind) {
1575   case LSRUse::Address:
1576     return TTI.isLegalAddressingMode(AccessTy.MemTy, BaseGV, BaseOffset,
1577                                      HasBaseReg, Scale, AccessTy.AddrSpace, Fixup);
1578
1579   case LSRUse::ICmpZero:
1580     // There's not even a target hook for querying whether it would be legal to
1581     // fold a GV into an ICmp.
1582     if (BaseGV)
1583       return false;
1584
1585     // ICmp only has two operands; don't allow more than two non-trivial parts.
1586     if (Scale != 0 && HasBaseReg && BaseOffset != 0)
1587       return false;
1588
1589     // ICmp only supports no scale or a -1 scale, as we can "fold" a -1 scale by
1590     // putting the scaled register in the other operand of the icmp.
1591     if (Scale != 0 && Scale != -1)
1592       return false;
1593
1594     // If we have low-level target information, ask the target if it can fold an
1595     // integer immediate on an icmp.
1596     if (BaseOffset != 0) {
1597       // We have one of:
1598       // ICmpZero     BaseReg + BaseOffset => ICmp BaseReg, -BaseOffset
1599       // ICmpZero -1*ScaleReg + BaseOffset => ICmp ScaleReg, BaseOffset
1600       // Offs is the ICmp immediate.
1601       if (Scale == 0)
1602         // The cast does the right thing with
1603         // std::numeric_limits<int64_t>::min().
1604         BaseOffset = -(uint64_t)BaseOffset;
1605       return TTI.isLegalICmpImmediate(BaseOffset);
1606     }
1607
1608     // ICmpZero BaseReg + -1*ScaleReg => ICmp BaseReg, ScaleReg
1609     return true;
1610
1611   case LSRUse::Basic:
1612     // Only handle single-register values.
1613     return !BaseGV && Scale == 0 && BaseOffset == 0;
1614
1615   case LSRUse::Special:
1616     // Special case Basic to handle -1 scales.
1617     return !BaseGV && (Scale == 0 || Scale == -1) && BaseOffset == 0;
1618   }
1619
1620   llvm_unreachable("Invalid LSRUse Kind!");
1621 }
1622
1623 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1624                                  int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1625                                  LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1626                                  GlobalValue *BaseGV, int64_t BaseOffset,
1627                                  bool HasBaseReg, int64_t Scale) {
1628   // Check for overflow.
1629   if (((int64_t)((uint64_t)BaseOffset + MinOffset) > BaseOffset) !=
1630       (MinOffset > 0))
1631     return false;
1632   MinOffset = (uint64_t)BaseOffset + MinOffset;
1633   if (((int64_t)((uint64_t)BaseOffset + MaxOffset) > BaseOffset) !=
1634       (MaxOffset > 0))
1635     return false;
1636   MaxOffset = (uint64_t)BaseOffset + MaxOffset;
1637
1638   return isAMCompletelyFolded(TTI, Kind, AccessTy, BaseGV, MinOffset,
1639                               HasBaseReg, Scale) &&
1640          isAMCompletelyFolded(TTI, Kind, AccessTy, BaseGV, MaxOffset,
1641                               HasBaseReg, Scale);
1642 }
1643
1644 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1645                                  int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1646                                  LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1647                                  const Formula &F, const Loop &L) {
1648   // For the purpose of isAMCompletelyFolded either having a canonical formula
1649   // or a scale not equal to zero is correct.
1650   // Problems may arise from non canonical formulae having a scale == 0.
1651   // Strictly speaking it would best to just rely on canonical formulae.
1652   // However, when we generate the scaled formulae, we first check that the
1653   // scaling factor is profitable before computing the actual ScaledReg for
1654   // compile time sake.
1655   assert((F.isCanonical(L) || F.Scale != 0));
1656   return isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy,
1657                               F.BaseGV, F.BaseOffset, F.HasBaseReg, F.Scale);
1658 }
1659
1660 /// Test whether we know how to expand the current formula.
1661 static bool isLegalUse(const TargetTransformInfo &TTI, int64_t MinOffset,
1662                        int64_t MaxOffset, LSRUse::KindType Kind,
1663                        MemAccessTy AccessTy, GlobalValue *BaseGV,
1664                        int64_t BaseOffset, bool HasBaseReg, int64_t Scale) {
1665   // We know how to expand completely foldable formulae.
1666   return isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, BaseGV,
1667                               BaseOffset, HasBaseReg, Scale) ||
1668          // Or formulae that use a base register produced by a sum of base
1669          // registers.
1670          (Scale == 1 &&
1671           isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy,
1672                                BaseGV, BaseOffset, true, 0));
1673 }
1674
1675 static bool isLegalUse(const TargetTransformInfo &TTI, int64_t MinOffset,
1676                        int64_t MaxOffset, LSRUse::KindType Kind,
1677                        MemAccessTy AccessTy, const Formula &F) {
1678   return isLegalUse(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, F.BaseGV,
1679                     F.BaseOffset, F.HasBaseReg, F.Scale);
1680 }
1681
1682 static bool isAMCompletelyFolded(const TargetTransformInfo &TTI,
1683                                  const LSRUse &LU, const Formula &F) {
1684   // Target may want to look at the user instructions.
1685   if (LU.Kind == LSRUse::Address && TTI.LSRWithInstrQueries()) {
1686     for (const LSRFixup &Fixup : LU.Fixups)
1687       if (!isAMCompletelyFolded(TTI, LSRUse::Address, LU.AccessTy, F.BaseGV,
1688                                 (F.BaseOffset + Fixup.Offset), F.HasBaseReg,
1689                                 F.Scale, Fixup.UserInst))
1690         return false;
1691     return true;
1692   }
1693
1694   return isAMCompletelyFolded(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
1695                               LU.AccessTy, F.BaseGV, F.BaseOffset, F.HasBaseReg,
1696                               F.Scale);
1697 }
1698
1699 static unsigned getScalingFactorCost(const TargetTransformInfo &TTI,
1700                                      const LSRUse &LU, const Formula &F,
1701                                      const Loop &L) {
1702   if (!F.Scale)
1703     return 0;
1704
1705   // If the use is not completely folded in that instruction, we will have to
1706   // pay an extra cost only for scale != 1.
1707   if (!isAMCompletelyFolded(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
1708                             LU.AccessTy, F, L))
1709     return F.Scale != 1;
1710
1711   switch (LU.Kind) {
1712   case LSRUse::Address: {
1713     // Check the scaling factor cost with both the min and max offsets.
1714     int ScaleCostMinOffset = TTI.getScalingFactorCost(
1715         LU.AccessTy.MemTy, F.BaseGV, F.BaseOffset + LU.MinOffset, F.HasBaseReg,
1716         F.Scale, LU.AccessTy.AddrSpace);
1717     int ScaleCostMaxOffset = TTI.getScalingFactorCost(
1718         LU.AccessTy.MemTy, F.BaseGV, F.BaseOffset + LU.MaxOffset, F.HasBaseReg,
1719         F.Scale, LU.AccessTy.AddrSpace);
1720
1721     assert(ScaleCostMinOffset >= 0 && ScaleCostMaxOffset >= 0 &&
1722            "Legal addressing mode has an illegal cost!");
1723     return std::max(ScaleCostMinOffset, ScaleCostMaxOffset);
1724   }
1725   case LSRUse::ICmpZero:
1726   case LSRUse::Basic:
1727   case LSRUse::Special:
1728     // The use is completely folded, i.e., everything is folded into the
1729     // instruction.
1730     return 0;
1731   }
1732
1733   llvm_unreachable("Invalid LSRUse Kind!");
1734 }
1735
1736 static bool isAlwaysFoldable(const TargetTransformInfo &TTI,
1737                              LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy,
1738                              GlobalValue *BaseGV, int64_t BaseOffset,
1739                              bool HasBaseReg) {
1740   // Fast-path: zero is always foldable.
1741   if (BaseOffset == 0 && !BaseGV) return true;
1742
1743   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1744   // base and a scale.
1745   int64_t Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1746
1747   // Canonicalize a scale of 1 to a base register if the formula doesn't
1748   // already have a base register.
1749   if (!HasBaseReg && Scale == 1) {
1750     Scale = 0;
1751     HasBaseReg = true;
1752   }
1753
1754   return isAMCompletelyFolded(TTI, Kind, AccessTy, BaseGV, BaseOffset,
1755                               HasBaseReg, Scale);
1756 }
1757
1758 static bool isAlwaysFoldable(const TargetTransformInfo &TTI,
1759                              ScalarEvolution &SE, int64_t MinOffset,
1760                              int64_t MaxOffset, LSRUse::KindType Kind,
1761                              MemAccessTy AccessTy, const SCEV *S,
1762                              bool HasBaseReg) {
1763   // Fast-path: zero is always foldable.
1764   if (S->isZero()) return true;
1765
1766   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1767   // base and a scale.
1768   int64_t BaseOffset = ExtractImmediate(S, SE);
1769   GlobalValue *BaseGV = ExtractSymbol(S, SE);
1770
1771   // If there's anything else involved, it's not foldable.
1772   if (!S->isZero()) return false;
1773
1774   // Fast-path: zero is always foldable.
1775   if (BaseOffset == 0 && !BaseGV) return true;
1776
1777   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1778   // base and a scale.
1779   int64_t Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1780
1781   return isAMCompletelyFolded(TTI, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, BaseGV,
1782                               BaseOffset, HasBaseReg, Scale);
1783 }
1784
1785 namespace {
1786
1787 /// An individual increment in a Chain of IV increments.  Relate an IV user to
1788 /// an expression that computes the IV it uses from the IV used by the previous
1789 /// link in the Chain.
1790 ///
1791 /// For the head of a chain, IncExpr holds the absolute SCEV expression for the
1792 /// original IVOperand. The head of the chain's IVOperand is only valid during
1793 /// chain collection, before LSR replaces IV users. During chain generation,
1794 /// IncExpr can be used to find the new IVOperand that computes the same
1795 /// expression.
1796 struct IVInc {
1797   Instruction *UserInst;
1798   Value* IVOperand;
1799   const SCEV *IncExpr;
1800
1801   IVInc(Instruction *U, Value *O, const SCEV *E)
1802       : UserInst(U), IVOperand(O), IncExpr(E) {}
1803 };
1804
1805 // The list of IV increments in program order.  We typically add the head of a
1806 // chain without finding subsequent links.
1807 struct IVChain {
1808   SmallVector<IVInc, 1> Incs;
1809   const SCEV *ExprBase = nullptr;
1810
1811   IVChain() = default;
1812   IVChain(const IVInc &Head, const SCEV *Base)
1813       : Incs(1, Head), ExprBase(Base) {}
1814
1815   using const_iterator = SmallVectorImpl<IVInc>::const_iterator;
1816
1817   // Return the first increment in the chain.
1818   const_iterator begin() const {
1819     assert(!Incs.empty());
1820     return std::next(Incs.begin());
1821   }
1822   const_iterator end() const {
1823     return Incs.end();
1824   }
1825
1826   // Returns true if this chain contains any increments.
1827   bool hasIncs() const { return Incs.size() >= 2; }
1828
1829   // Add an IVInc to the end of this chain.
1830   void add(const IVInc &X) { Incs.push_back(X); }
1831
1832   // Returns the last UserInst in the chain.
1833   Instruction *tailUserInst() const { return Incs.back().UserInst; }
1834
1835   // Returns true if IncExpr can be profitably added to this chain.
1836   bool isProfitableIncrement(const SCEV *OperExpr,
1837                              const SCEV *IncExpr,
1838                              ScalarEvolution&);
1839 };
1840
1841 /// Helper for CollectChains to track multiple IV increment uses.  Distinguish
1842 /// between FarUsers that definitely cross IV increments and NearUsers that may
1843 /// be used between IV increments.
1844 struct ChainUsers {
1845   SmallPtrSet<Instruction*, 4> FarUsers;
1846   SmallPtrSet<Instruction*, 4> NearUsers;
1847 };
1848
1849 /// This class holds state for the main loop strength reduction logic.
1850 class LSRInstance {
1851   IVUsers &IU;
1852   ScalarEvolution &SE;
1853   DominatorTree &DT;
1854   LoopInfo &LI;
1855   const TargetTransformInfo &TTI;
1856   Loop *const L;
1857   bool Changed = false;
1858
1859   /// This is the insert position that the current loop's induction variable
1860   /// increment should be placed. In simple loops, this is the latch block's
1861   /// terminator. But in more complicated cases, this is a position which will
1862   /// dominate all the in-loop post-increment users.
1863   Instruction *IVIncInsertPos = nullptr;
1864
1865   /// Interesting factors between use strides.
1866   ///
1867   /// We explicitly use a SetVector which contains a SmallSet, instead of the
1868   /// default, a SmallDenseSet, because we need to use the full range of
1869   /// int64_ts, and there's currently no good way of doing that with
1870   /// SmallDenseSet.
1871   SetVector<int64_t, SmallVector<int64_t, 8>, SmallSet<int64_t, 8>> Factors;
1872
1873   /// Interesting use types, to facilitate truncation reuse.
1874   SmallSetVector<Type *, 4> Types;
1875
1876   /// The list of interesting uses.
1877   SmallVector<LSRUse, 16> Uses;
1878
1879   /// Track which uses use which register candidates.
1880   RegUseTracker RegUses;
1881
1882   // Limit the number of chains to avoid quadratic behavior. We don't expect to
1883   // have more than a few IV increment chains in a loop. Missing a Chain falls
1884   // back to normal LSR behavior for those uses.
1885   static const unsigned MaxChains = 8;
1886
1887   /// IV users can form a chain of IV increments.
1888   SmallVector<IVChain, MaxChains> IVChainVec;
1889
1890   /// IV users that belong to profitable IVChains.
1891   SmallPtrSet<Use*, MaxChains> IVIncSet;
1892
1893   void OptimizeShadowIV();
1894   bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse);
1895   ICmpInst *OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse);
1896   void OptimizeLoopTermCond();
1897
1898   void ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
1899                         SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec);
1900   void FinalizeChain(IVChain &Chain);
1901   void CollectChains();
1902   void GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
1903                        SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts);
1904
1905   void CollectInterestingTypesAndFactors();
1906   void CollectFixupsAndInitialFormulae();
1907
1908   // Support for sharing of LSRUses between LSRFixups.
1909   using UseMapTy = DenseMap<LSRUse::SCEVUseKindPair, size_t>;
1910   UseMapTy UseMap;
1911
1912   bool reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
1913                           LSRUse::KindType Kind, MemAccessTy AccessTy);
1914
1915   std::pair<size_t, int64_t> getUse(const SCEV *&Expr, LSRUse::KindType Kind,
1916                                     MemAccessTy AccessTy);
1917
1918   void DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1919
1920   LSRUse *FindUseWithSimilarFormula(const Formula &F, const LSRUse &OrigLU);
1921
1922   void InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1923   void InsertSupplementalFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1924   void CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx);
1925   bool InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F);
1926
1927   void CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
1928
1929   void GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base,
1930                               unsigned Depth = 0);
1931
1932   void GenerateReassociationsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1933                                   const Formula &Base, unsigned Depth,
1934                                   size_t Idx, bool IsScaledReg = false);
1935   void GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1936   void GenerateSymbolicOffsetsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1937                                    const Formula &Base, size_t Idx,
1938                                    bool IsScaledReg = false);
1939   void GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1940   void GenerateConstantOffsetsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1941                                    const Formula &Base,
1942                                    const SmallVectorImpl<int64_t> &Worklist,
1943                                    size_t Idx, bool IsScaledReg = false);
1944   void GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1945   void GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1946   void GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1947   void GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1948   void GenerateCrossUseConstantOffsets();
1949   void GenerateAllReuseFormulae();
1950
1951   void FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
1952
1953   size_t EstimateSearchSpaceComplexity() const;
1954   void NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
1955   void NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
1956   void NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
1957   void NarrowSearchSpaceByFilterFormulaWithSameScaledReg();
1958   void NarrowSearchSpaceByDeletingCostlyFormulas();
1959   void NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
1960   void NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
1961
1962   void SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1963                     Cost &SolutionCost,
1964                     SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
1965                     const Cost &CurCost,
1966                     const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
1967                     DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const;
1968   void Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const;
1969
1970   BasicBlock::iterator
1971     HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
1972                         const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs) const;
1973   BasicBlock::iterator
1974     AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator IP,
1975                                   const LSRFixup &LF,
1976                                   const LSRUse &LU,
1977                                   SCEVExpander &Rewriter) const;
1978
1979   Value *Expand(const LSRUse &LU, const LSRFixup &LF, const Formula &F,
1980                 BasicBlock::iterator IP, SCEVExpander &Rewriter,
1981                 SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) const;
1982   void RewriteForPHI(PHINode *PN, const LSRUse &LU, const LSRFixup &LF,
1983                      const Formula &F, SCEVExpander &Rewriter,
1984                      SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) const;
1985   void Rewrite(const LSRUse &LU, const LSRFixup &LF, const Formula &F,
1986                SCEVExpander &Rewriter,
1987                SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) const;
1988   void ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution);
1989
1990 public:
1991   LSRInstance(Loop *L, IVUsers &IU, ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
1992               LoopInfo &LI, const TargetTransformInfo &TTI);
1993
1994   bool getChanged() const { return Changed; }
1995
1996   void print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const;
1997   void print_fixups(raw_ostream &OS) const;
1998   void print_uses(raw_ostream &OS) const;
1999   void print(raw_ostream &OS) const;
2000   void dump() const;
2001 };
2002
2003 } // end anonymous namespace
2004
2005 /// If IV is used in a int-to-float cast inside the loop then try to eliminate
2006 /// the cast operation.
2007 void LSRInstance::OptimizeShadowIV() {
2008   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
2009   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2010     return;
2011
2012   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end();
2013        UI != E; /* empty */) {
2014     IVUsers::const_iterator CandidateUI = UI;
2015     ++UI;
2016     Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
2017     Type *DestTy = nullptr;
2018     bool IsSigned = false;
2019
2020     /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
2021        to eliminate this cast.
2022
2023          for (unsigned i = 0; i < n; ++i)
2024            foo((double)i);
2025
2026        is transformed into
2027
2028          double d = 0.0;
2029          for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d)
2030            foo(d);
2031     */
2032     if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
2033       IsSigned = false;
2034       DestTy = UCast->getDestTy();
2035     }
2036     else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
2037       IsSigned = true;
2038       DestTy = SCast->getDestTy();
2039     }
2040     if (!DestTy) continue;
2041
2042     // If target does not support DestTy natively then do not apply
2043     // this transformation.
2044     if (!TTI.isTypeLegal(DestTy)) continue;
2045
2046     PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
2047     if (!PH) continue;
2048     if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
2049
2050     // If the calculation in integers overflows, the result in FP type will
2051     // differ. So we only can do this transformation if we are guaranteed to not
2052     // deal with overflowing values
2053     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(PH));
2054     if (!AR) continue;
2055     if (IsSigned && !AR->hasNoSignedWrap()) continue;
2056     if (!IsSigned && !AR->hasNoUnsignedWrap()) continue;
2057
2058     Type *SrcTy = PH->getType();
2059     int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
2060     if (Mantissa == -1) continue;
2061     if ((int)SE.getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
2062       continue;
2063
2064     unsigned Entry, Latch;
2065     if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
2066       Entry = 0;
2067       Latch = 1;
2068     } else {
2069       Entry = 1;
2070       Latch = 0;
2071     }
2072
2073     ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
2074     if (!Init) continue;
2075     Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, IsSigned ?
2076                                         (double)Init->getSExtValue() :
2077                                         (double)Init->getZExtValue());
2078
2079     BinaryOperator *Incr =
2080       dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
2081     if (!Incr) continue;
2082     if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
2083         && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
2084       continue;
2085
2086     /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
2087     ConstantInt *C = nullptr;
2088     if (Incr->getOperand(0) == PH)
2089       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
2090     else if (Incr->getOperand(1) == PH)
2091       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
2092     else
2093       continue;
2094
2095     if (!C) continue;
2096
2097     // Ignore negative constants, as the code below doesn't handle them
2098     // correctly. TODO: Remove this restriction.
2099     if (!C->getValue().isStrictlyPositive()) continue;
2100
2101     /* Add new PHINode. */
2102     PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, 2, "IV.S.", PH);
2103
2104     /* create new increment. '++d' in above example. */
2105     Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
2106     BinaryOperator *NewIncr =
2107       BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
2108                                Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
2109                              NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
2110
2111     NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
2112     NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
2113
2114     /* Remove cast operation */
2115     ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
2116     ShadowUse->eraseFromParent();
2117     Changed = true;
2118     break;
2119   }
2120 }
2121
2122 /// If Cond has an operand that is an expression of an IV, set the IV user and
2123 /// stride information and return true, otherwise return false.
2124 bool LSRInstance::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse) {
2125   for (IVStrideUse &U : IU)
2126     if (U.getUser() == Cond) {
2127       // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
2128       // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
2129       // occurs enough in real life to handle.
2130       CondUse = &U;
2131       return true;
2132     }
2133   return false;
2134 }
2135
2136 /// Rewrite the loop's terminating condition if it uses a max computation.
2137 ///
2138 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
2139 /// like this:
2140 ///
2141 ///   i = 0;
2142 ///   do {
2143 ///     p[i] = 0.0;
2144 ///   } while (++i < n);
2145 ///
2146 /// the trip count isn't just 'n', because 'n' might not be positive. And
2147 /// unfortunately this can come up even for loops where the user didn't use
2148 /// a C do-while loop. For example, seemingly well-behaved top-test loops
2149 /// will commonly be lowered like this:
2150 ///
2151 ///   if (n > 0) {
2152 ///     i = 0;
2153 ///     do {
2154 ///       p[i] = 0.0;
2155 ///     } while (++i < n);
2156 ///   }
2157 ///
2158 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
2159 /// test in such a way that indvars can't find it.
2160 ///
2161 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
2162 /// max expression, which allows it to give the loop a canonical
2163 /// induction variable:
2164 ///
2165 ///   i = 0;
2166 ///   max = n < 1 ? 1 : n;
2167 ///   do {
2168 ///     p[i] = 0.0;
2169 ///   } while (++i != max);
2170 ///
2171 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
2172 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
2173 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
2174 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
2175 /// needed, and it does this using a simple analysis that only succeeds if
2176 /// the loop has a canonical induction variable.
2177 ///
2178 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
2179 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
2180 ///
2181 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
2182 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
2183 /// the instructions for the maximum computation.
2184 ICmpInst *LSRInstance::OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse) {
2185   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
2186   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
2187       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
2188     return Cond;
2189
2190   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
2191   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
2192
2193   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
2194   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2195     return Cond;
2196   const SCEV *One = SE.getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1);
2197
2198   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
2199   const SCEV *IterationCount = SE.getAddExpr(One, BackedgeTakenCount);
2200   if (IterationCount != SE.getSCEV(Sel)) return Cond;
2201
2202   // Check for a max calculation that matches the pattern. There's no check
2203   // for ICMP_ULE here because the comparison would be with zero, which
2204   // isn't interesting.
2205   CmpInst::Predicate Pred = ICmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
2206   const SCEVNAryExpr *Max = nullptr;
2207   if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(BackedgeTakenCount)) {
2208     Pred = ICmpInst::ICMP_SLE;
2209     Max = S;
2210   } else if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(IterationCount)) {
2211     Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
2212     Max = S;
2213   } else if (const SCEVUMaxExpr *U = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(IterationCount)) {
2214     Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
2215     Max = U;
2216   } else {
2217     // No match; bail.
2218     return Cond;
2219   }
2220
2221   // To handle a max with more than two operands, this optimization would
2222   // require additional checking and setup.
2223   if (Max->getNumOperands() != 2)
2224     return Cond;
2225
2226   const SCEV *MaxLHS = Max->getOperand(0);
2227   const SCEV *MaxRHS = Max->getOperand(1);
2228
2229   // ScalarEvolution canonicalizes constants to the left. For < and >, look
2230   // for a comparison with 1. For <= and >=, a comparison with zero.
2231   if (!MaxLHS ||
2232       (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred) ? !MaxLHS->isZero() : (MaxLHS != One)))
2233     return Cond;
2234
2235   // Check the relevant induction variable for conformance to
2236   // the pattern.
2237   const SCEV *IV = SE.getSCEV(Cond->getOperand(0));
2238   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2239   if (!AR || !AR->isAffine() ||
2240       AR->getStart() != One ||
2241       AR->getStepRecurrence(SE) != One)
2242     return Cond;
2243
2244   assert(AR->getLoop() == L &&
2245          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
2246
2247   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
2248   // be used in the new comparison instruction.
2249   Value *NewRHS = nullptr;
2250   if (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred)) {
2251     // Look for n+1, and grab n.
2252     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(1)))
2253       if (ConstantInt *BO1 = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1)))
2254          if (BO1->isOne() && SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
2255            NewRHS = BO->getOperand(0);
2256     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(2)))
2257       if (ConstantInt *BO1 = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1)))
2258         if (BO1->isOne() && SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
2259           NewRHS = BO->getOperand(0);
2260     if (!NewRHS)
2261       return Cond;
2262   } else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(1)) == MaxRHS)
2263     NewRHS = Sel->getOperand(1);
2264   else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(2)) == MaxRHS)
2265     NewRHS = Sel->getOperand(2);
2266   else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(MaxRHS))
2267     NewRHS = SU->getValue();
2268   else
2269     // Max doesn't match expected pattern.
2270     return Cond;
2271
2272   // Determine the new comparison opcode. It may be signed or unsigned,
2273   // and the original comparison may be either equality or inequality.
2274   if (Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_EQ)
2275     Pred = CmpInst::getInversePredicate(Pred);
2276
2277   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
2278   // delete the max calculation.
2279   ICmpInst *NewCond =
2280     new ICmpInst(Cond, Pred, Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp");
2281
2282   // Delete the max calculation instructions.
2283   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
2284   CondUse->setUser(NewCond);
2285   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
2286   Cond->eraseFromParent();
2287   Sel->eraseFromParent();
2288   if (Cmp->use_empty())
2289     Cmp->eraseFromParent();
2290   return NewCond;
2291 }
2292
2293 /// Change loop terminating condition to use the postinc iv when possible.
2294 void
2295 LSRInstance::OptimizeLoopTermCond() {
2296   SmallPtrSet<Instruction *, 4> PostIncs;
2297
2298   // We need a different set of heuristics for rotated and non-rotated loops.
2299   // If a loop is rotated then the latch is also the backedge, so inserting
2300   // post-inc expressions just before the latch is ideal. To reduce live ranges
2301   // it also makes sense to rewrite terminating conditions to use post-inc
2302   // expressions.
2303   //
2304   // If the loop is not rotated then the latch is not a backedge; the latch
2305   // check is done in the loop head. Adding post-inc expressions before the
2306   // latch will cause overlapping live-ranges of pre-inc and post-inc expressions
2307   // in the loop body. In this case we do *not* want to use post-inc expressions
2308   // in the latch check, and we want to insert post-inc expressions before
2309   // the backedge.
2310   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
2311   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
2312   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
2313   if (llvm::all_of(ExitingBlocks, [&LatchBlock](const BasicBlock *BB) {
2314         return LatchBlock != BB;
2315       })) {
2316     // The backedge doesn't exit the loop; treat this as a head-tested loop.
2317     IVIncInsertPos = LatchBlock->getTerminator();
2318     return;
2319   }
2320
2321   // Otherwise treat this as a rotated loop.
2322   for (BasicBlock *ExitingBlock : ExitingBlocks) {
2323     // Get the terminating condition for the loop if possible.  If we
2324     // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
2325     // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
2326     // one register value.
2327
2328     BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2329     if (!TermBr)
2330       continue;
2331     // FIXME: Overly conservative, termination condition could be an 'or' etc..
2332     if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2333       continue;
2334
2335     // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
2336     IVStrideUse *CondUse = nullptr;
2337     ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2338     if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse))
2339       continue;
2340
2341     // If the trip count is computed in terms of a max (due to ScalarEvolution
2342     // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
2343     // comparison to use SLT or ULT instead of NE.
2344     // One consequence of doing this now is that it disrupts the count-down
2345     // optimization. That's not always a bad thing though, because in such
2346     // cases it may still be worthwhile to avoid a max.
2347     Cond = OptimizeMax(Cond, CondUse);
2348
2349     // If this exiting block dominates the latch block, it may also use
2350     // the post-inc value if it won't be shared with other uses.
2351     // Check for dominance.
2352     if (!DT.dominates(ExitingBlock, LatchBlock))
2353       continue;
2354
2355     // Conservatively avoid trying to use the post-inc value in non-latch
2356     // exits if there may be pre-inc users in intervening blocks.
2357     if (LatchBlock != ExitingBlock)
2358       for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
2359         // Test if the use is reachable from the exiting block. This dominator
2360         // query is a conservative approximation of reachability.
2361         if (&*UI != CondUse &&
2362             !DT.properlyDominates(UI->getUser()->getParent(), ExitingBlock)) {
2363           // Conservatively assume there may be reuse if the quotient of their
2364           // strides could be a legal scale.
2365           const SCEV *A = IU.getStride(*CondUse, L);
2366           const SCEV *B = IU.getStride(*UI, L);
2367           if (!A || !B) continue;
2368           if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) !=
2369               SE.getTypeSizeInBits(B->getType())) {
2370             if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) >
2371                 SE.getTypeSizeInBits(B->getType()))
2372               B = SE.getSignExtendExpr(B, A->getType());
2373             else
2374               A = SE.getSignExtendExpr(A, B->getType());
2375           }
2376           if (const SCEVConstant *D =
2377                 dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(B, A, SE))) {
2378             const ConstantInt *C = D->getValue();
2379             // Stride of one or negative one can have reuse with non-addresses.
2380             if (C->isOne() || C->isMinusOne())
2381               goto decline_post_inc;
2382             // Avoid weird situations.
2383             if (C->getValue().getMinSignedBits() >= 64 ||
2384                 C->getValue().isMinSignedValue())
2385               goto decline_post_inc;
2386             // Check for possible scaled-address reuse.
2387             MemAccessTy AccessTy = getAccessType(TTI, UI->getUser());
2388             int64_t Scale = C->getSExtValue();
2389             if (TTI.isLegalAddressingMode(AccessTy.MemTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2390                                           /*BaseOffset=*/0,
2391                                           /*HasBaseReg=*/false, Scale,
2392                                           AccessTy.AddrSpace))
2393               goto decline_post_inc;
2394             Scale = -Scale;
2395             if (TTI.isLegalAddressingMode(AccessTy.MemTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2396                                           /*BaseOffset=*/0,
2397                                           /*HasBaseReg=*/false, Scale,
2398                                           AccessTy.AddrSpace))
2399               goto decline_post_inc;
2400           }
2401         }
2402
2403     DEBUG(dbgs() << "  Change loop exiting icmp to use postinc iv: "
2404                  << *Cond << '\n');
2405
2406     // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
2407     // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
2408     // the exiting block branch, move it.
2409     if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != TermBr) {
2410       if (Cond->hasOneUse()) {
2411         Cond->moveBefore(TermBr);
2412       } else {
2413         // Clone the terminating condition and insert into the loopend.
2414         ICmpInst *OldCond = Cond;
2415         Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
2416         Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2417         ExitingBlock->getInstList().insert(TermBr->getIterator(), Cond);
2418
2419         // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2420         CondUse = &IU.AddUser(Cond, CondUse->getOperandValToReplace());
2421         TermBr->replaceUsesOfWith(OldCond, Cond);
2422       }
2423     }
2424
2425     // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2426     // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2427     // live ranges for the IV correctly.
2428     CondUse->transformToPostInc(L);
2429     Changed = true;
2430
2431     PostIncs.insert(Cond);
2432   decline_post_inc:;
2433   }
2434
2435   // Determine an insertion point for the loop induction variable increment. It
2436   // must dominate all the post-inc comparisons we just set up, and it must
2437   // dominate the loop latch edge.
2438   IVIncInsertPos = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2439   for (Instruction *Inst : PostIncs) {
2440     BasicBlock *BB =
2441       DT.findNearestCommonDominator(IVIncInsertPos->getParent(),
2442                                     Inst->getParent());
2443     if (BB == Inst->getParent())
2444       IVIncInsertPos = Inst;
2445     else if (BB != IVIncInsertPos->getParent())
2446       IVIncInsertPos = BB->getTerminator();
2447   }
2448 }
2449
2450 /// Determine if the given use can accommodate a fixup at the given offset and
2451 /// other details. If so, update the use and return true.
2452 bool LSRInstance::reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset,
2453                                      bool HasBaseReg, LSRUse::KindType Kind,
2454                                      MemAccessTy AccessTy) {
2455   int64_t NewMinOffset = LU.MinOffset;
2456   int64_t NewMaxOffset = LU.MaxOffset;
2457   MemAccessTy NewAccessTy = AccessTy;
2458
2459   // Check for a mismatched kind. It's tempting to collapse mismatched kinds to
2460   // something conservative, however this can pessimize in the case that one of
2461   // the uses will have all its uses outside the loop, for example.
2462   if (LU.Kind != Kind)
2463     return false;
2464
2465   // Check for a mismatched access type, and fall back conservatively as needed.
2466   // TODO: Be less conservative when the type is similar and can use the same
2467   // addressing modes.
2468   if (Kind == LSRUse::Address) {
2469     if (AccessTy.MemTy != LU.AccessTy.MemTy) {
2470       NewAccessTy = MemAccessTy::getUnknown(AccessTy.MemTy->getContext(),
2471                                             AccessTy.AddrSpace);
2472     }
2473   }
2474
2475   // Conservatively assume HasBaseReg is true for now.
2476   if (NewOffset < LU.MinOffset) {
2477     if (!isAlwaysFoldable(TTI, Kind, NewAccessTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2478                           LU.MaxOffset - NewOffset, HasBaseReg))
2479       return false;
2480     NewMinOffset = NewOffset;
2481   } else if (NewOffset > LU.MaxOffset) {
2482     if (!isAlwaysFoldable(TTI, Kind, NewAccessTy, /*BaseGV=*/nullptr,
2483                           NewOffset - LU.MinOffset, HasBaseReg))
2484       return false;
2485     NewMaxOffset = NewOffset;
2486   }
2487
2488   // Update the use.
2489   LU.MinOffset = NewMinOffset;
2490   LU.MaxOffset = NewMaxOffset;
2491   LU.AccessTy = NewAccessTy;
2492   return true;
2493 }
2494
2495 /// Return an LSRUse index and an offset value for a fixup which needs the given
2496 /// expression, with the given kind and optional access type.  Either reuse an
2497 /// existing use or create a new one, as needed.
2498 std::pair<size_t, int64_t> LSRInstance::getUse(const SCEV *&Expr,
2499                                                LSRUse::KindType Kind,
2500                                                MemAccessTy AccessTy) {
2501   const SCEV *Copy = Expr;
2502   int64_t Offset = ExtractImmediate(Expr, SE);
2503
2504   // Basic uses can't accept any offset, for example.
2505   if (!isAlwaysFoldable(TTI, Kind, AccessTy, /*BaseGV=*/ nullptr,
2506                         Offset, /*HasBaseReg=*/ true)) {
2507     Expr = Copy;
2508     Offset = 0;
2509   }
2510
2511   std::pair<UseMapTy::iterator, bool> P =
2512     UseMap.insert(std::make_pair(LSRUse::SCEVUseKindPair(Expr, Kind), 0));
2513   if (!P.second) {
2514     // A use already existed with this base.
2515     size_t LUIdx = P.first->second;
2516     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2517     if (reconcileNewOffset(LU, Offset, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy))
2518       // Reuse this use.
2519       return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2520   }
2521
2522   // Create a new use.
2523   size_t LUIdx = Uses.size();
2524   P.first->second = LUIdx;
2525   Uses.push_back(LSRUse(Kind, AccessTy));
2526   LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2527
2528   LU.MinOffset = Offset;
2529   LU.MaxOffset = Offset;
2530   return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2531 }
2532
2533 /// Delete the given use from the Uses list.
2534 void LSRInstance::DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2535   if (&LU != &Uses.back())
2536     std::swap(LU, Uses.back());
2537   Uses.pop_back();
2538
2539   // Update RegUses.
2540   RegUses.swapAndDropUse(LUIdx, Uses.size());
2541 }
2542
2543 /// Look for a use distinct from OrigLU which is has a formula that has the same
2544 /// registers as the given formula.
2545 LSRUse *
2546 LSRInstance::FindUseWithSimilarFormula(const Formula &OrigF,
2547                                        const LSRUse &OrigLU) {
2548   // Search all uses for the formula. This could be more clever.
2549   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2550     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2551     // Check whether this use is close enough to OrigLU, to see whether it's
2552     // worthwhile looking through its formulae.
2553     // Ignore ICmpZero uses because they may contain formulae generated by
2554     // GenerateICmpZeroScales, in which case adding fixup offsets may
2555     // be invalid.
2556     if (&LU != &OrigLU &&
2557         LU.Kind != LSRUse::ICmpZero &&
2558         LU.Kind == OrigLU.Kind && OrigLU.AccessTy == LU.AccessTy &&
2559         LU.WidestFixupType == OrigLU.WidestFixupType &&
2560         LU.HasFormulaWithSameRegs(OrigF)) {
2561       // Scan through this use's formulae.
2562       for (const Formula &F : LU.Formulae) {
2563         // Check to see if this formula has the same registers and symbols
2564         // as OrigF.
2565         if (F.BaseRegs == OrigF.BaseRegs &&
2566             F.ScaledReg == OrigF.ScaledReg &&
2567             F.BaseGV == OrigF.BaseGV &&
2568             F.Scale == OrigF.Scale &&
2569             F.UnfoldedOffset == OrigF.UnfoldedOffset) {
2570           if (F.BaseOffset == 0)
2571             return &LU;
2572           // This is the formula where all the registers and symbols matched;
2573           // there aren't going to be any others. Since we declined it, we
2574           // can skip the rest of the formulae and proceed to the next LSRUse.
2575           break;
2576         }
2577       }
2578     }
2579   }
2580
2581   // Nothing looked good.
2582   return nullptr;
2583 }
2584
2585 void LSRInstance::CollectInterestingTypesAndFactors() {
2586   SmallSetVector<const SCEV *, 4> Strides;
2587
2588   // Collect interesting types and strides.
2589   SmallVector<const SCEV *, 4> Worklist;
2590   for (const IVStrideUse &U : IU) {
2591     const SCEV *Expr = IU.getExpr(U);
2592
2593     // Collect interesting types.
2594     Types.insert(SE.getEffectiveSCEVType(Expr->getType()));
2595
2596     // Add strides for mentioned loops.
2597     Worklist.push_back(Expr);
2598     do {
2599       const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2600       if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2601         if (AR->getLoop() == L)
2602           Strides.insert(AR->getStepRecurrence(SE));
2603         Worklist.push_back(AR->getStart());
2604       } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2605         Worklist.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
2606       }
2607     } while (!Worklist.empty());
2608   }
2609
2610   // Compute interesting factors from the set of interesting strides.
2611   for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator
2612        I = Strides.begin(), E = Strides.end(); I != E; ++I)
2613     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator NewStrideIter =
2614          std::next(I); NewStrideIter != E; ++NewStrideIter) {
2615       const SCEV *OldStride = *I;
2616       const SCEV *NewStride = *NewStrideIter;
2617
2618       if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) !=
2619           SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType())) {
2620         if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) >
2621             SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType()))
2622           NewStride = SE.getSignExtendExpr(NewStride, OldStride->getType());
2623         else
2624           OldStride = SE.getSignExtendExpr(OldStride, NewStride->getType());
2625       }
2626       if (const SCEVConstant *Factor =
2627             dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(NewStride, OldStride,
2628                                                         SE, true))) {
2629         if (Factor->getAPInt().getMinSignedBits() <= 64)
2630           Factors.insert(Factor->getAPInt().getSExtValue());
2631       } else if (const SCEVConstant *Factor =
2632                    dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(OldStride,
2633                                                                NewStride,
2634                                                                SE, true))) {
2635         if (Factor->getAPInt().getMinSignedBits() <= 64)
2636           Factors.insert(Factor->getAPInt().getSExtValue());
2637       }
2638     }
2639
2640   // If all uses use the same type, don't bother looking for truncation-based
2641   // reuse.
2642   if (Types.size() == 1)
2643     Types.clear();
2644
2645   DEBUG(print_factors_and_types(dbgs()));
2646 }
2647
2648 /// Helper for CollectChains that finds an IV operand (computed by an AddRec in
2649 /// this loop) within [OI,OE) or returns OE. If IVUsers mapped Instructions to
2650 /// IVStrideUses, we could partially skip this.
2651 static User::op_iterator
2652 findIVOperand(User::op_iterator OI, User::op_iterator OE,
2653               Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
2654   for(; OI != OE; ++OI) {
2655     if (Instruction *Oper = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2656       if (!SE.isSCEVable(Oper->getType()))
2657         continue;
2658
2659       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
2660           dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Oper))) {
2661         if (AR->getLoop() == L)
2662           break;
2663       }
2664     }
2665   }
2666   return OI;
2667 }
2668
2669 /// IVChain logic must consistenctly peek base TruncInst operands, so wrap it in
2670 /// a convenient helper.
2671 static Value *getWideOperand(Value *Oper) {
2672   if (TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(Oper))
2673     return Trunc->getOperand(0);
2674   return Oper;
2675 }
2676
2677 /// Return true if we allow an IV chain to include both types.
2678 static bool isCompatibleIVType(Value *LVal, Value *RVal) {
2679   Type *LType = LVal->getType();
2680   Type *RType = RVal->getType();
2681   return (LType == RType) || (LType->isPointerTy() && RType->isPointerTy() &&
2682                               // Different address spaces means (possibly)
2683                               // different types of the pointer implementation,
2684                               // e.g. i16 vs i32 so disallow that.
2685                               (LType->getPointerAddressSpace() ==
2686                                RType->getPointerAddressSpace()));
2687 }
2688
2689 /// Return an approximation of this SCEV expression's "base", or NULL for any
2690 /// constant. Returning the expression itself is conservative. Returning a
2691 /// deeper subexpression is more precise and valid as long as it isn't less
2692 /// complex than another subexpression. For expressions involving multiple
2693 /// unscaled values, we need to return the pointer-type SCEVUnknown. This avoids
2694 /// forming chains across objects, such as: PrevOper==a[i], IVOper==b[i],
2695 /// IVInc==b-a.
2696 ///
2697 /// Since SCEVUnknown is the rightmost type, and pointers are the rightmost
2698 /// SCEVUnknown, we simply return the rightmost SCEV operand.
2699 static const SCEV *getExprBase(const SCEV *S) {
2700   switch (S->getSCEVType()) {
2701   default: // uncluding scUnknown.
2702     return S;
2703   case scConstant:
2704     return nullptr;
2705   case scTruncate:
2706     return getExprBase(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand());
2707   case scZeroExtend:
2708     return getExprBase(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand());
2709   case scSignExtend:
2710     return getExprBase(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand());
2711   case scAddExpr: {
2712     // Skip over scaled operands (scMulExpr) to follow add operands as long as
2713     // there's nothing more complex.
2714     // FIXME: not sure if we want to recognize negation.
2715     const SCEVAddExpr *Add = cast<SCEVAddExpr>(S);
2716     for (std::reverse_iterator<SCEVAddExpr::op_iterator> I(Add->op_end()),
2717            E(Add->op_begin()); I != E; ++I) {
2718       const SCEV *SubExpr = *I;
2719       if (SubExpr->getSCEVType() == scAddExpr)
2720         return getExprBase(SubExpr);
2721
2722       if (SubExpr->getSCEVType() != scMulExpr)
2723         return SubExpr;
2724     }
2725     return S; // all operands are scaled, be conservative.
2726   }
2727   case scAddRecExpr:
2728     return getExprBase(cast<SCEVAddRecExpr>(S)->getStart());
2729   }
2730 }
2731
2732 /// Return true if the chain increment is profitable to expand into a loop
2733 /// invariant value, which may require its own register. A profitable chain
2734 /// increment will be an offset relative to the same base. We allow such offsets
2735 /// to potentially be used as chain increment as long as it's not obviously
2736 /// expensive to expand using real instructions.
2737 bool IVChain::isProfitableIncrement(const SCEV *OperExpr,
2738                                     const SCEV *IncExpr,
2739                                     ScalarEvolution &SE) {
2740   // Aggressively form chains when -stress-ivchain.
2741   if (StressIVChain)
2742     return true;
2743
2744   // Do not replace a constant offset from IV head with a nonconstant IV
2745   // increment.
2746   if (!isa<SCEVConstant>(IncExpr)) {
2747     const SCEV *HeadExpr = SE.getSCEV(getWideOperand(Incs[0].IVOperand));
2748     if (isa<SCEVConstant>(SE.getMinusSCEV(OperExpr, HeadExpr)))
2749       return false;
2750   }
2751
2752   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
2753   return !isHighCostExpansion(IncExpr, Processed, SE);
2754 }
2755
2756 /// Return true if the number of registers needed for the chain is estimated to
2757 /// be less than the number required for the individual IV users. First prohibit
2758 /// any IV users that keep the IV live across increments (the Users set should
2759 /// be empty). Next count the number and type of increments in the chain.
2760 ///
2761 /// Chaining IVs can lead to considerable code bloat if ISEL doesn't
2762 /// effectively use postinc addressing modes. Only consider it profitable it the
2763 /// increments can be computed in fewer registers when chained.
2764 ///
2765 /// TODO: Consider IVInc free if it's already used in another chains.
2766 static bool
2767 isProfitableChain(IVChain &Chain, SmallPtrSetImpl<Instruction*> &Users,
2768                   ScalarEvolution &SE, const TargetTransformInfo &TTI) {
2769   if (StressIVChain)
2770     return true;
2771
2772   if (!Chain.hasIncs())
2773     return false;
2774
2775   if (!Users.empty()) {
2776     DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " users:\n";
2777           for (Instruction *Inst : Users) {
2778             dbgs() << "  " << *Inst << "\n";
2779           });
2780     return false;
2781   }
2782   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2783
2784   // The chain itself may require a register, so intialize cost to 1.
2785   int cost = 1;
2786
2787   // A complete chain likely eliminates the need for keeping the original IV in
2788   // a register. LSR does not currently know how to form a complete chain unless
2789   // the header phi already exists.
2790   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())
2791       && SE.getSCEV(Chain.tailUserInst()) == Chain.Incs[0].IncExpr) {
2792     --cost;
2793   }
2794   const SCEV *LastIncExpr = nullptr;
2795   unsigned NumConstIncrements = 0;
2796   unsigned NumVarIncrements = 0;
2797   unsigned NumReusedIncrements = 0;
2798   for (const IVInc &Inc : Chain) {
2799     if (Inc.IncExpr->isZero())
2800       continue;
2801
2802     // Incrementing by zero or some constant is neutral. We assume constants can
2803     // be folded into an addressing mode or an add's immediate operand.
2804     if (isa<SCEVConstant>(Inc.IncExpr)) {
2805       ++NumConstIncrements;
2806       continue;
2807     }
2808
2809     if (Inc.IncExpr == LastIncExpr)
2810       ++NumReusedIncrements;
2811     else
2812       ++NumVarIncrements;
2813
2814     LastIncExpr = Inc.IncExpr;
2815   }
2816   // An IV chain with a single increment is handled by LSR's postinc
2817   // uses. However, a chain with multiple increments requires keeping the IV's
2818   // value live longer than it needs to be if chained.
2819   if (NumConstIncrements > 1)
2820     --cost;
2821
2822   // Materializing increment expressions in the preheader that didn't exist in
2823   // the original code may cost a register. For example, sign-extended array
2824   // indices can produce ridiculous increments like this:
2825   // IV + ((sext i32 (2 * %s) to i64) + (-1 * (sext i32 %s to i64)))
2826   cost += NumVarIncrements;
2827
2828   // Reusing variable increments likely saves a register to hold the multiple of
2829   // the stride.
2830   cost -= NumReusedIncrements;
2831
2832   DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << " Cost: " << cost
2833                << "\n");
2834
2835   return cost < 0;
2836 }
2837
2838 /// Add this IV user to an existing chain or make it the head of a new chain.
2839 void LSRInstance::ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
2840                                    SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec) {
2841   // When IVs are used as types of varying widths, they are generally converted
2842   // to a wider type with some uses remaining narrow under a (free) trunc.
2843   Value *const NextIV = getWideOperand(IVOper);
2844   const SCEV *const OperExpr = SE.getSCEV(NextIV);
2845   const SCEV *const OperExprBase = getExprBase(OperExpr);
2846
2847   // Visit all existing chains. Check if its IVOper can be computed as a
2848   // profitable loop invariant increment from the last link in the Chain.
2849   unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2850   const SCEV *LastIncExpr = nullptr;
2851   for (; ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2852     IVChain &Chain = IVChainVec[ChainIdx];
2853
2854     // Prune the solution space aggressively by checking that both IV operands
2855     // are expressions that operate on the same unscaled SCEVUnknown. This
2856     // "base" will be canceled by the subsequent getMinusSCEV call. Checking
2857     // first avoids creating extra SCEV expressions.
2858     if (!StressIVChain && Chain.ExprBase != OperExprBase)
2859       continue;
2860
2861     Value *PrevIV = getWideOperand(Chain.Incs.back().IVOperand);
2862     if (!isCompatibleIVType(PrevIV, NextIV))
2863       continue;
2864
2865     // A phi node terminates a chain.
2866     if (isa<PHINode>(UserInst) && isa<PHINode>(Chain.tailUserInst()))
2867       continue;
2868
2869     // The increment must be loop-invariant so it can be kept in a register.
2870     const SCEV *PrevExpr = SE.getSCEV(PrevIV);
2871     const SCEV *IncExpr = SE.getMinusSCEV(OperExpr, PrevExpr);
2872     if (!SE.isLoopInvariant(IncExpr, L))
2873       continue;
2874
2875     if (Chain.isProfitableIncrement(OperExpr, IncExpr, SE)) {
2876       LastIncExpr = IncExpr;
2877       break;
2878     }
2879   }
2880   // If we haven't found a chain, create a new one, unless we hit the max. Don't
2881   // bother for phi nodes, because they must be last in the chain.
2882   if (ChainIdx == NChains) {
2883     if (isa<PHINode>(UserInst))
2884       return;
2885     if (NChains >= MaxChains && !StressIVChain) {
2886       DEBUG(dbgs() << "IV Chain Limit\n");
2887       return;
2888     }
2889     LastIncExpr = OperExpr;
2890     // IVUsers may have skipped over sign/zero extensions. We don't currently
2891     // attempt to form chains involving extensions unless they can be hoisted
2892     // into this loop's AddRec.
2893     if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LastIncExpr))
2894       return;
2895     ++NChains;
2896     IVChainVec.push_back(IVChain(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr),
2897                                  OperExprBase));
2898     ChainUsersVec.resize(NChains);
2899     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << " Head: (" << *UserInst
2900                  << ") IV=" << *LastIncExpr << "\n");
2901   } else {
2902     DEBUG(dbgs() << "IV Chain#" << ChainIdx << "  Inc: (" << *UserInst
2903                  << ") IV+" << *LastIncExpr << "\n");
2904     // Add this IV user to the end of the chain.
2905     IVChainVec[ChainIdx].add(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr));
2906   }
2907   IVChain &Chain = IVChainVec[ChainIdx];
2908
2909   SmallPtrSet<Instruction*,4> &NearUsers = ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers;
2910   // This chain's NearUsers become FarUsers.
2911   if (!LastIncExpr->isZero()) {
2912     ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.insert(NearUsers.begin(),
2913                                             NearUsers.end());
2914     NearUsers.clear();
2915   }
2916
2917   // All other uses of IVOperand become near uses of the chain.
2918   // We currently ignore intermediate values within SCEV expressions, assuming
2919   // they will eventually be used be the current chain, or can be computed
2920   // from one of the chain increments. To be more precise we could
2921   // transitively follow its user and only add leaf IV users to the set.
2922   for (User *U : IVOper->users()) {
2923     Instruction *OtherUse = dyn_cast<Instruction>(U);
2924     if (!OtherUse)
2925       continue;
2926     // Uses in the chain will no longer be uses if the chain is formed.
2927     // Include the head of the chain in this iteration (not Chain.begin()).
2928     IVChain::const_iterator IncIter = Chain.Incs.begin();
2929     IVChain::const_iterator IncEnd = Chain.Incs.end();
2930     for( ; IncIter != IncEnd; ++IncIter) {
2931       if (IncIter->UserInst == OtherUse)
2932         break;
2933     }
2934     if (IncIter != IncEnd)
2935       continue;
2936
2937     if (SE.isSCEVable(OtherUse->getType())
2938         && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(OtherUse))
2939         && IU.isIVUserOrOperand(OtherUse)) {
2940       continue;
2941     }
2942     NearUsers.insert(OtherUse);
2943   }
2944
2945   // Since this user is part of the chain, it's no longer considered a use
2946   // of the chain.
2947   ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.erase(UserInst);
2948 }
2949
2950 /// Populate the vector of Chains.
2951 ///
2952 /// This decreases ILP at the architecture level. Targets with ample registers,
2953 /// multiple memory ports, and no register renaming probably don't want
2954 /// this. However, such targets should probably disable LSR altogether.
2955 ///
2956 /// The job of LSR is to make a reasonable choice of induction variables across
2957 /// the loop. Subsequent passes can easily "unchain" computation exposing more
2958 /// ILP *within the loop* if the target wants it.
2959 ///
2960 /// Finding the best IV chain is potentially a scheduling problem. Since LSR
2961 /// will not reorder memory operations, it will recognize this as a chain, but
2962 /// will generate redundant IV increments. Ideally this would be corrected later
2963 /// by a smart scheduler:
2964 ///        = A[i]
2965 ///        = A[i+x]
2966 /// A[i]   =
2967 /// A[i+x] =
2968 ///
2969 /// TODO: Walk the entire domtree within this loop, not just the path to the
2970 /// loop latch. This will discover chains on side paths, but requires
2971 /// maintaining multiple copies of the Chains state.
2972 void LSRInstance::CollectChains() {
2973   DEBUG(dbgs() << "Collecting IV Chains.\n");
2974   SmallVector<ChainUsers, 8> ChainUsersVec;
2975
2976   SmallVector<BasicBlock *,8> LatchPath;
2977   BasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2978   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopLatch());
2979        Rung->getBlock() != LoopHeader; Rung = Rung->getIDom()) {
2980     LatchPath.push_back(Rung->getBlock());
2981   }
2982   LatchPath.push_back(LoopHeader);
2983
2984   // Walk the instruction stream from the loop header to the loop latch.
2985   for (BasicBlock *BB : reverse(LatchPath)) {
2986     for (Instruction &I : *BB) {
2987       // Skip instructions that weren't seen by IVUsers analysis.
2988       if (isa<PHINode>(I) || !IU.isIVUserOrOperand(&I))
2989         continue;
2990
2991       // Ignore users that are part of a SCEV expression. This way we only
2992       // consider leaf IV Users. This effectively rediscovers a portion of
2993       // IVUsers analysis but in program order this time.
2994       if (SE.isSCEVable(I.getType()) && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(&I)))
2995           continue;
2996
2997       // Remove this instruction from any NearUsers set it may be in.
2998       for (unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2999            ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
3000         ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers.erase(&I);
3001       }
3002       // Search for operands that can be chained.
3003       SmallPtrSet<Instruction*, 4> UniqueOperands;
3004       User::op_iterator IVOpEnd = I.op_end();
3005       User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(I.op_begin(), IVOpEnd, L, SE);
3006       while (IVOpIter != IVOpEnd) {
3007         Instruction *IVOpInst = cast<Instruction>(*IVOpIter);
3008         if (UniqueOperands.insert(IVOpInst).second)
3009           ChainInstruction(&I, IVOpInst, ChainUsersVec);
3010         IVOpIter = findIVOperand(std::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
3011       }
3012     } // Continue walking down the instructions.
3013   } // Continue walking down the domtree.
3014   // Visit phi backedges to determine if the chain can generate the IV postinc.
3015   for (PHINode &PN : L->getHeader()->phis()) {
3016     if (!SE.isSCEVable(PN.getType()))
3017       continue;
3018
3019     Instruction *IncV =
3020         dyn_cast<Instruction>(PN.getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
3021     if (IncV)
3022       ChainInstruction(&PN, IncV, ChainUsersVec);
3023   }
3024   // Remove any unprofitable chains.
3025   unsigned ChainIdx = 0;
3026   for (unsigned UsersIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
3027        UsersIdx < NChains; ++UsersIdx) {
3028     if (!isProfitableChain(IVChainVec[UsersIdx],
3029                            ChainUsersVec[UsersIdx].FarUsers, SE, TTI))
3030       continue;
3031     // Preserve the chain at UsesIdx.
3032     if (ChainIdx != UsersIdx)
3033       IVChainVec[ChainIdx] = IVChainVec[UsersIdx];
3034     FinalizeChain(IVChainVec[ChainIdx]);
3035     ++ChainIdx;
3036   }
3037   IVChainVec.resize(ChainIdx);
3038 }
3039
3040 void LSRInstance::FinalizeChain(IVChain &Chain) {
3041   assert(!Chain.Incs.empty() && "empty IV chains are not allowed");
3042   DEBUG(dbgs() << "Final Chain: " << *Chain.Incs[0].UserInst << "\n");
3043
3044   for (const IVInc &Inc : Chain) {
3045     DEBUG(dbgs() << "        Inc: " << *Inc.UserInst << "\n");
3046     auto UseI = find(Inc.UserInst->operands(), Inc.IVOperand);
3047     assert(UseI != Inc.UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
3048     IVIncSet.insert(UseI);
3049   }
3050 }
3051
3052 /// Return true if the IVInc can be folded into an addressing mode.
3053 static bool canFoldIVIncExpr(const SCEV *IncExpr, Instruction *UserInst,
3054                              Value *Operand, const TargetTransformInfo &TTI) {
3055   const SCEVConstant *IncConst = dyn_cast<SCEVConstant>(IncExpr);
3056   if (!IncConst || !isAddressUse(TTI, UserInst, Operand))
3057     return false;
3058
3059   if (IncConst->getAPInt().getMinSignedBits() > 64)
3060     return false;
3061
3062   MemAccessTy AccessTy = getAccessType(TTI, UserInst);
3063   int64_t IncOffset = IncConst->getValue()->getSExtValue();
3064   if (!isAlwaysFoldable(TTI, LSRUse::Address, AccessTy, /*BaseGV=*/nullptr,
3065                         IncOffset, /*HaseBaseReg=*/false))
3066     return false;
3067
3068   return true;
3069 }
3070
3071 /// Generate an add or subtract for each IVInc in a chain to materialize the IV
3072 /// user's operand from the previous IV user's operand.
3073 void LSRInstance::GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
3074                                   SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) {
3075   // Find the new IVOperand for the head of the chain. It may have been replaced
3076   // by LSR.
3077   const IVInc &Head = Chain.Incs[0];
3078   User::op_iterator IVOpEnd = Head.UserInst->op_end();
3079   // findIVOperand returns IVOpEnd if it can no longer find a valid IV user.
3080   User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(Head.UserInst->op_begin(),
3081                                              IVOpEnd, L, SE);
3082   Value *IVSrc = nullptr;
3083   while (IVOpIter != IVOpEnd) {
3084     IVSrc = getWideOperand(*IVOpIter);
3085
3086     // If this operand computes the expression that the chain needs, we may use
3087     // it. (Check this after setting IVSrc which is used below.)
3088     //
3089     // Note that if Head.IncExpr is wider than IVSrc, then this phi is too
3090     // narrow for the chain, so we can no longer use it. We do allow using a
3091     // wider phi, assuming the LSR checked for free truncation. In that case we
3092     // should already have a truncate on this operand such that
3093     // getSCEV(IVSrc) == IncExpr.
3094     if (SE.getSCEV(*IVOpIter) == Head.IncExpr
3095         || SE.getSCEV(IVSrc) == Head.IncExpr) {
3096       break;
3097     }
3098     IVOpIter = findIVOperand(std::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
3099   }
3100   if (IVOpIter == IVOpEnd) {
3101     // Gracefully give up on this chain.
3102     DEBUG(dbgs() << "Concealed chain head: " << *Head.UserInst << "\n");
3103     return;
3104   }
3105
3106   DEBUG(dbgs() << "Generate chain at: " << *IVSrc << "\n");
3107   Type *IVTy = IVSrc->getType();
3108   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(IVTy);
3109   const SCEV *LeftOverExpr = nullptr;
3110   for (const IVInc &Inc : Chain) {
3111     Instruction *InsertPt = Inc.UserInst;
3112     if (isa<PHINode>(InsertPt))
3113       InsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
3114
3115     // IVOper will replace the current IV User's operand. IVSrc is the IV
3116     // value currently held in a register.
3117     Value *IVOper = IVSrc;
3118     if (!Inc.IncExpr->isZero()) {
3119       // IncExpr was the result of subtraction of two narrow values, so must
3120       // be signed.
3121       const SCEV *IncExpr = SE.getNoopOrSignExtend(Inc.IncExpr, IntTy);
3122       LeftOverExpr = LeftOverExpr ?
3123         SE.getAddExpr(LeftOverExpr, IncExpr) : IncExpr;
3124     }
3125     if (LeftOverExpr && !LeftOverExpr->isZero()) {
3126       // Expand the IV increment.
3127       Rewriter.clearPostInc();
3128       Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(LeftOverExpr, IntTy, InsertPt);
3129       const SCEV *IVOperExpr = SE.getAddExpr(SE.getUnknown(IVSrc),
3130                                              SE.getUnknown(IncV));
3131       IVOper = Rewriter.expandCodeFor(IVOperExpr, IVTy, InsertPt);
3132
3133       // If an IV increment can't be folded, use it as the next IV value.
3134       if (!canFoldIVIncExpr(LeftOverExpr, Inc.UserInst, Inc.IVOperand, TTI)) {
3135         assert(IVTy == IVOper->getType() && "inconsistent IV increment type");
3136         IVSrc = IVOper;
3137         LeftOverExpr = nullptr;
3138       }
3139     }
3140     Type *OperTy = Inc.IVOperand->getType();
3141     if (IVTy != OperTy) {
3142       assert(SE.getTypeSizeInBits(IVTy) >= SE.getTypeSizeInBits(OperTy) &&
3143              "cannot extend a chained IV");
3144       IRBuilder<> Builder(InsertPt);
3145       IVOper = Builder.CreateTruncOrBitCast(IVOper, OperTy, "lsr.chain");
3146     }
3147     Inc.UserInst->replaceUsesOfWith(Inc.IVOperand, IVOper);
3148     DeadInsts.emplace_back(Inc.IVOperand);
3149   }
3150   // If LSR created a new, wider phi, we may also replace its postinc. We only
3151   // do this if we also found a wide value for the head of the chain.
3152   if (isa<PHINode>(Chain.tailUserInst())) {
3153     for (PHINode &Phi : L->getHeader()->phis()) {
3154       if (!isCompatibleIVType(&Phi, IVSrc))
3155         continue;
3156       Instruction *PostIncV = dyn_cast<Instruction>(
3157           Phi.getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
3158       if (!PostIncV || (SE.getSCEV(PostIncV) != SE.getSCEV(IVSrc)))
3159         continue;
3160       Value *IVOper = IVSrc;
3161       Type *PostIncTy = PostIncV->getType();
3162       if (IVTy != PostIncTy) {
3163         assert(PostIncTy->isPointerTy() && "mixing int/ptr IV types");
3164         IRBuilder<> Builder(L->getLoopLatch()->getTerminator());
3165         Builder.SetCurrentDebugLocation(PostIncV->getDebugLoc());
3166         IVOper = Builder.CreatePointerCast(IVSrc, PostIncTy, "lsr.chain");
3167       }
3168       Phi.replaceUsesOfWith(PostIncV, IVOper);
3169       DeadInsts.emplace_back(PostIncV);
3170     }
3171   }
3172 }
3173
3174 void LSRInstance::CollectFixupsAndInitialFormulae() {
3175   for (const IVStrideUse &U : IU) {
3176     Instruction *UserInst = U.getUser();
3177     // Skip IV users that are part of profitable IV Chains.
3178     User::op_iterator UseI =
3179         find(UserInst->operands(), U.getOperandValToReplace());
3180     assert(UseI != UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
3181     if (IVIncSet.count(UseI)) {
3182       DEBUG(dbgs() << "Use is in profitable chain: " << **UseI << '\n');
3183       continue;
3184     }
3185
3186     LSRUse::KindType Kind = LSRUse::Basic;
3187     MemAccessTy AccessTy;
3188     if (isAddressUse(TTI, UserInst, U.getOperandValToReplace())) {
3189       Kind = LSRUse::Address;
3190       AccessTy = getAccessType(TTI, UserInst);
3191     }
3192
3193     const SCEV *S = IU.getExpr(U);
3194     PostIncLoopSet TmpPostIncLoops = U.getPostIncLoops();
3195
3196     // Equality (== and !=) ICmps are special. We can rewrite (i == N) as
3197     // (N - i == 0), and this allows (N - i) to be the expression that we work
3198     // with rather than just N or i, so we can consider the register
3199     // requirements for both N and i at the same time. Limiting this code to
3200     // equality icmps is not a problem because all interesting loops use
3201     // equality icmps, thanks to IndVarSimplify.
3202     if (ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(UserInst))
3203       if (CI->isEquality()) {
3204         // Swap the operands if needed to put the OperandValToReplace on the
3205         // left, for consistency.
3206         Value *NV = CI->getOperand(1);
3207         if (NV == U.getOperandValToReplace()) {
3208           CI->setOperand(1, CI->getOperand(0));
3209           CI->setOperand(0, NV);
3210           NV = CI->getOperand(1);
3211           Changed = true;
3212         }
3213
3214         // x == y  -->  x - y == 0
3215         const SCEV *N = SE.getSCEV(NV);
3216         if (SE.isLoopInvariant(N, L) && isSafeToExpand(N, SE)) {
3217           // S is normalized, so normalize N before folding it into S
3218           // to keep the result normalized.
3219           N = normalizeForPostIncUse(N, TmpPostIncLoops, SE);
3220           Kind = LSRUse::ICmpZero;
3221           S = SE.getMinusSCEV(N, S);
3222         }
3223
3224         // -1 and the negations of all interesting strides (except the negation
3225         // of -1) are now also interesting.
3226         for (size_t i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
3227           if (Factors[i] != -1)
3228             Factors.insert(-(uint64_t)Factors[i]);
3229         Factors.insert(-1);
3230       }
3231
3232     // Get or create an LSRUse.
3233     std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, Kind, AccessTy);
3234     size_t LUIdx = P.first;
3235     int64_t Offset = P.second;
3236     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3237
3238     // Record the fixup.
3239     LSRFixup &LF = LU.getNewFixup();
3240     LF.UserInst = UserInst;
3241     LF.OperandValToReplace = U.getOperandValToReplace();
3242     LF.PostIncLoops = TmpPostIncLoops;
3243     LF.Offset = Offset;
3244     LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
3245
3246     if (!LU.WidestFixupType ||
3247         SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
3248         SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
3249       LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
3250
3251     // If this is the first use of this LSRUse, give it a formula.
3252     if (LU.Formulae.empty()) {
3253       InsertInitialFormula(S, LU, LUIdx);
3254       CountRegisters(LU.Formulae.back(), LUIdx);
3255     }
3256   }
3257
3258   DEBUG(print_fixups(dbgs()));
3259 }
3260
3261 /// Insert a formula for the given expression into the given use, separating out
3262 /// loop-variant portions from loop-invariant and loop-computable portions.
3263 void
3264 LSRInstance::InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
3265   // Mark uses whose expressions cannot be expanded.
3266   if (!isSafeToExpand(S, SE))
3267     LU.RigidFormula = true;
3268
3269   Formula F;
3270   F.initialMatch(S, L, SE);
3271   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3272   assert(Inserted && "Initial formula already exists!"); (void)Inserted;
3273 }
3274
3275 /// Insert a simple single-register formula for the given expression into the
3276 /// given use.
3277 void
3278 LSRInstance::InsertSupplementalFormula(const SCEV *S,
3279                                        LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
3280   Formula F;
3281   F.BaseRegs.push_back(S);
3282   F.HasBaseReg = true;
3283   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3284   assert(Inserted && "Supplemental formula already exists!"); (void)Inserted;
3285 }
3286
3287 /// Note which registers are used by the given formula, updating RegUses.
3288 void LSRInstance::CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx) {
3289   if (F.ScaledReg)
3290     RegUses.countRegister(F.ScaledReg, LUIdx);
3291   for (const SCEV *BaseReg : F.BaseRegs)
3292     RegUses.countRegister(BaseReg, LUIdx);
3293 }
3294
3295 /// If the given formula has not yet been inserted, add it to the list, and
3296 /// return true. Return false otherwise.
3297 bool LSRInstance::InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F) {
3298   // Do not insert formula that we will not be able to expand.
3299   assert(isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy, F) &&
3300          "Formula is illegal");
3301
3302   if (!LU.InsertFormula(F, *L))
3303     return false;
3304
3305   CountRegisters(F, LUIdx);
3306   return true;
3307 }
3308
3309 /// Check for other uses of loop-invariant values which we're tracking. These
3310 /// other uses will pin these values in registers, making them less profitable
3311 /// for elimination.
3312 /// TODO: This currently misses non-constant addrec step registers.
3313 /// TODO: Should this give more weight to users inside the loop?
3314 void
3315 LSRInstance::CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae() {
3316   SmallVector<const SCEV *, 8> Worklist(RegUses.begin(), RegUses.end());
3317   SmallPtrSet<const SCEV *, 32> Visited;
3318
3319   while (!Worklist.empty()) {
3320     const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
3321
3322     // Don't process the same SCEV twice
3323     if (!Visited.insert(S).second)
3324       continue;
3325
3326     if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S))
3327       Worklist.append(N->op_begin(), N->op_end());
3328     else if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
3329       Worklist.push_back(C->getOperand());
3330     else if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
3331       Worklist.push_back(D->getLHS());
3332       Worklist.push_back(D->getRHS());
3333     } else if (const SCEVUnknown *US = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
3334       const Value *V = US->getValue();
3335       if (const Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V)) {
3336         // Look for instructions defined outside the loop.
3337         if (L->contains(Inst)) continue;
3338       } else if (isa<UndefValue>(V))
3339         // Undef doesn't have a live range, so it doesn't matter.
3340         continue;
3341       for (const Use &U : V->uses()) {
3342         const Instruction *UserInst = dyn_cast<Instruction>(U.getUser());
3343         // Ignore non-instructions.
3344         if (!UserInst)
3345           continue;
3346         // Ignore instructions in other functions (as can happen with
3347         // Constants).
3348         if (UserInst->getParent()->getParent() != L->getHeader()->getParent())
3349           continue;
3350         // Ignore instructions not dominated by the loop.
3351         const BasicBlock *UseBB = !isa<PHINode>(UserInst) ?
3352           UserInst->getParent() :
3353           cast<PHINode>(UserInst)->getIncomingBlock(
3354             PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo()));
3355         if (!DT.dominates(L->getHeader(), UseBB))
3356           continue;
3357         // Don't bother if the instruction is in a BB which ends in an EHPad.
3358         if (UseBB->getTerminator()->isEHPad())
3359           continue;
3360         // Don't bother rewriting PHIs in catchswitch blocks.
3361         if (isa<CatchSwitchInst>(UserInst->getParent()->getTerminator()))
3362           continue;
3363         // Ignore uses which are part of other SCEV expressions, to avoid
3364         // analyzing them multiple times.
3365         if (SE.isSCEVable(UserInst->getType())) {
3366           const SCEV *UserS = SE.getSCEV(const_cast<Instruction *>(UserInst));
3367           // If the user is a no-op, look through to its uses.
3368           if (!isa<SCEVUnknown>(UserS))
3369             continue;
3370           if (UserS == US) {
3371             Worklist.push_back(
3372               SE.getUnknown(const_cast<Instruction *>(UserInst)));
3373             continue;
3374           }
3375         }
3376         // Ignore icmp instructions which are already being analyzed.
3377         if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UserInst)) {
3378           unsigned OtherIdx = !U.getOperandNo();
3379           Value *OtherOp = const_cast<Value *>(ICI->getOperand(OtherIdx));
3380           if (SE.hasComputableLoopEvolution(SE.getSCEV(OtherOp), L))
3381             continue;
3382         }
3383
3384         std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(
3385             S, LSRUse::Basic, MemAccessTy());
3386         size_t LUIdx = P.first;
3387         int64_t Offset = P.second;
3388         LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3389         LSRFixup &LF = LU.getNewFixup();
3390         LF.UserInst = const_cast<Instruction *>(UserInst);
3391         LF.OperandValToReplace = U;
3392         LF.Offset = Offset;
3393         LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
3394         if (!LU.WidestFixupType ||
3395             SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
3396             SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
3397           LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
3398         InsertSupplementalFormula(US, LU, LUIdx);
3399         CountRegisters(LU.Formulae.back(), Uses.size() - 1);
3400         break;
3401       }
3402     }
3403   }
3404 }
3405
3406 /// Split S into subexpressions which can be pulled out into separate
3407 /// registers. If C is non-null, multiply each subexpression by C.
3408 ///
3409 /// Return remainder expression after factoring the subexpressions captured by
3410 /// Ops. If Ops is complete, return NULL.
3411 static const SCEV *CollectSubexprs(const SCEV *S, const SCEVConstant *C,
3412                                    SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
3413                                    const Loop *L,
3414                                    ScalarEvolution &SE,
3415                                    unsigned Depth = 0) {
3416   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
3417   if (Depth >= 3)
3418     return S;
3419
3420   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
3421     // Break out add operands.
3422     for (const SCEV *S : Add->operands()) {
3423       const SCEV *Remainder = CollectSubexprs(S, C, Ops, L, SE, Depth+1);
3424       if (Remainder)
3425         Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, Remainder) : Remainder);
3426     }
3427     return nullptr;
3428   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
3429     // Split a non-zero base out of an addrec.
3430     if (AR->getStart()->isZero() || !AR->isAffine())
3431       return S;
3432
3433     const SCEV *Remainder = CollectSubexprs(AR->getStart(),
3434                                             C, Ops, L, SE, Depth+1);
3435     // Split the non-zero AddRec unless it is part of a nested recurrence that
3436     // does not pertain to this loop.
3437     if (Remainder && (AR->getLoop() == L || !isa<SCEVAddRecExpr>(Remainder))) {
3438       Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, Remainder) : Remainder);
3439       Remainder = nullptr;
3440     }
3441     if (Remainder != AR->getStart()) {
3442       if (!Remainder)
3443         Remainder = SE.getConstant(AR->getType(), 0);
3444       return SE.getAddRecExpr(Remainder,
3445                               AR->getStepRecurrence(SE),
3446                               AR->getLoop(),
3447                               //FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
3448                               SCEV::FlagAnyWrap);
3449     }
3450   } else if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
3451     // Break (C * (a + b + c)) into C*a + C*b + C*c.
3452     if (Mul->getNumOperands() != 2)
3453       return S;
3454     if (const SCEVConstant *Op0 =
3455         dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))) {
3456       C = C ? cast<SCEVConstant>(SE.getMulExpr(C, Op0)) : Op0;
3457       const SCEV *Remainder =
3458         CollectSubexprs(Mul->getOperand(1), C, Ops, L, SE, Depth+1);
3459       if (Remainder)
3460         Ops.push_back(SE.getMulExpr(C, Remainder));
3461       return nullptr;
3462     }
3463   }
3464   return S;
3465 }
3466
3467 /// \brief Helper function for LSRInstance::GenerateReassociations.
3468 void LSRInstance::GenerateReassociationsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3469                                              const Formula &Base,
3470                                              unsigned Depth, size_t Idx,
3471                                              bool IsScaledReg) {
3472   const SCEV *BaseReg = IsScaledReg ? Base.ScaledReg : Base.BaseRegs[Idx];
3473   SmallVector<const SCEV *, 8> AddOps;
3474   const SCEV *Remainder = CollectSubexprs(BaseReg, nullptr, AddOps, L, SE);
3475   if (Remainder)
3476     AddOps.push_back(Remainder);
3477
3478   if (AddOps.size() == 1)
3479     return;
3480
3481   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = AddOps.begin(),
3482                                                      JE = AddOps.end();
3483        J != JE; ++J) {
3484     // Loop-variant "unknown" values are uninteresting; we won't be able to
3485     // do anything meaningful with them.
3486     if (isa<SCEVUnknown>(*J) && !SE.isLoopInvariant(*J, L))
3487       continue;
3488
3489     // Don't pull a constant into a register if the constant could be folded
3490     // into an immediate field.
3491     if (isAlwaysFoldable(TTI, SE, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
3492                          LU.AccessTy, *J, Base.getNumRegs() > 1))
3493       continue;
3494
3495     // Collect all operands except *J.
3496     SmallVector<const SCEV *, 8> InnerAddOps(
3497         ((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).begin(), J);
3498     InnerAddOps.append(std::next(J),
3499                        ((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).end());
3500
3501     // Don't leave just a constant behind in a register if the constant could
3502     // be folded into an immediate field.
3503     if (InnerAddOps.size() == 1 &&
3504         isAlwaysFoldable(TTI, SE, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind,
3505                          LU.AccessTy, InnerAddOps[0], Base.getNumRegs() > 1))
3506       continue;
3507
3508     const SCEV *InnerSum = SE.getAddExpr(InnerAddOps);
3509     if (InnerSum->isZero())
3510       continue;
3511     Formula F = Base;
3512
3513     // Add the remaining pieces of the add back into the new formula.
3514     const SCEVConstant *InnerSumSC = dyn_cast<SCEVConstant>(InnerSum);
3515     if (InnerSumSC && SE.getTypeSizeInBits(InnerSumSC->getType()) <= 64 &&
3516         TTI.isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3517                                 InnerSumSC->getValue()->getZExtValue())) {
3518       F.UnfoldedOffset =
3519           (uint64_t)F.UnfoldedOffset + InnerSumSC->getValue()->getZExtValue();
3520       if (IsScaledReg)
3521         F.ScaledReg = nullptr;
3522       else
3523         F.BaseRegs.erase(F.BaseRegs.begin() + Idx);
3524     } else if (IsScaledReg)
3525       F.ScaledReg = InnerSum;
3526     else
3527       F.BaseRegs[Idx] = InnerSum;
3528
3529     // Add J as its own register, or an unfolded immediate.
3530     const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*J);
3531     if (SC && SE.getTypeSizeInBits(SC->getType()) <= 64 &&
3532         TTI.isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3533                                 SC->getValue()->getZExtValue()))
3534       F.UnfoldedOffset =
3535           (uint64_t)F.UnfoldedOffset + SC->getValue()->getZExtValue();
3536     else
3537       F.BaseRegs.push_back(*J);
3538     // We may have changed the number of register in base regs, adjust the
3539     // formula accordingly.
3540     F.canonicalize(*L);
3541
3542     if (InsertFormula(LU, LUIdx, F))
3543       // If that formula hadn't been seen before, recurse to find more like
3544       // it.
3545       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae.back(), Depth + 1);
3546   }
3547 }
3548
3549 /// Split out subexpressions from adds and the bases of addrecs.
3550 void LSRInstance::GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3551                                          Formula Base, unsigned Depth) {
3552   assert(Base.isCanonical(*L) && "Input must be in the canonical form");
3553   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
3554   if (Depth >= 3)
3555     return;
3556
3557   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3558     GenerateReassociationsImpl(LU, LUIdx, Base, Depth, i);
3559
3560   if (Base.Scale == 1)
3561     GenerateReassociationsImpl(LU, LUIdx, Base, Depth,
3562                                /* Idx */ -1, /* IsScaledReg */ true);
3563 }
3564
3565 ///  Generate a formula consisting of all of the loop-dominating registers added
3566 /// into a single register.
3567 void LSRInstance::GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3568                                        Formula Base) {
3569   // This method is only interesting on a plurality of registers.
3570   if (Base.BaseRegs.size() + (Base.Scale == 1) <= 1)
3571     return;
3572
3573   // Flatten the representation, i.e., reg1 + 1*reg2 => reg1 + reg2, before
3574   // processing the formula.
3575   Base.unscale();
3576   Formula F = Base;
3577   F.BaseRegs.clear();
3578   SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
3579   for (const SCEV *BaseReg : Base.BaseRegs) {
3580     if (SE.properlyDominates(BaseReg, L->getHeader()) &&
3581         !SE.hasComputableLoopEvolution(BaseReg, L))
3582       Ops.push_back(BaseReg);
3583     else
3584       F.BaseRegs.push_back(BaseReg);
3585   }
3586   if (Ops.size() > 1) {
3587     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Ops);
3588     // TODO: If Sum is zero, it probably means ScalarEvolution missed an
3589     // opportunity to fold something. For now, just ignore such cases
3590     // rather than proceed with zero in a register.
3591     if (!Sum->isZero()) {
3592       F.BaseRegs.push_back(Sum);
3593       F.canonicalize(*L);
3594       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3595     }
3596   }
3597 }
3598
3599 /// \brief Helper function for LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets.
3600 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsetsImpl(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3601                                               const Formula &Base, size_t Idx,
3602                                               bool IsScaledReg) {
3603   const SCEV *G = IsScaledReg ? Base.ScaledReg : Base.BaseRegs[Idx];
3604   GlobalValue *GV = ExtractSymbol(G, SE);
3605   if (G->isZero() || !GV)
3606     return;
3607   Formula F = Base;
3608   F.BaseGV = GV;
3609   if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy, F))
3610     return;
3611   if (IsScaledReg)
3612     F.ScaledReg = G;
3613   else
3614     F.BaseRegs[Idx] = G;
3615   (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3616 }
3617
3618 /// Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3619 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3620                                           Formula Base) {
3621   // We can't add a symbolic offset if the address already contains one.
3622   if (Base.BaseGV) return;
3623
3624   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3625     GenerateSymbolicOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, i);
3626   if (Base.Scale == 1)
3627     GenerateSymbolicOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, /* Idx */ -1,
3628                                 /* IsScaledReg */ true);
3629 }
3630
3631 /// \brief Helper function for LSRInstance::GenerateConstantOffsets.
3632 void LSRInstance::GenerateConstantOffsetsImpl(
3633     LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &Base,
3634     const SmallVectorImpl<int64_t> &Worklist, size_t Idx, bool IsScaledReg) {
3635   const SCEV *G = IsScaledReg ? Base.ScaledReg : Base.BaseRegs[Idx];
3636   for (int64_t Offset : Worklist) {
3637     Formula F = Base;
3638     F.BaseOffset = (uint64_t)Base.BaseOffset - Offset;
3639     if (isLegalUse(TTI, LU.MinOffset - Offset, LU.MaxOffset - Offset, LU.Kind,
3640                    LU.AccessTy, F)) {
3641       // Add the offset to the base register.
3642       const SCEV *NewG = SE.getAddExpr(SE.getConstant(G->getType(), Offset), G);
3643       // If it cancelled out, drop the base register, otherwise update it.
3644       if (NewG->isZero()) {
3645         if (IsScaledReg) {
3646           F.Scale = 0;
3647           F.ScaledReg = nullptr;
3648         } else
3649           F.deleteBaseReg(F.BaseRegs[Idx]);
3650         F.canonicalize(*L);
3651       } else if (IsScaledReg)
3652         F.ScaledReg = NewG;
3653       else
3654         F.BaseRegs[Idx] = NewG;
3655
3656       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3657     }
3658   }
3659
3660   int64_t Imm = ExtractImmediate(G, SE);
3661   if (G->isZero() || Imm == 0)
3662     return;
3663   Formula F = Base;
3664   F.BaseOffset = (uint64_t)F.BaseOffset + Imm;
3665   if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy, F))
3666     return;
3667   if (IsScaledReg)
3668     F.ScaledReg = G;
3669   else
3670     F.BaseRegs[Idx] = G;
3671   (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3672 }
3673
3674 /// GenerateConstantOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3675 void LSRInstance::GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3676                                           Formula Base) {
3677   // TODO: For now, just add the min and max offset, because it usually isn't
3678   // worthwhile looking at everything inbetween.
3679   SmallVector<int64_t, 2> Worklist;
3680   Worklist.push_back(LU.MinOffset);
3681   if (LU.MaxOffset != LU.MinOffset)
3682     Worklist.push_back(LU.MaxOffset);
3683
3684   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3685     GenerateConstantOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, Worklist, i);
3686   if (Base.Scale == 1)
3687     GenerateConstantOffsetsImpl(LU, LUIdx, Base, Worklist, /* Idx */ -1,
3688                                 /* IsScaledReg */ true);
3689 }
3690
3691 /// For ICmpZero, check to see if we can scale up the comparison. For example, x
3692 /// == y -> x*c == y*c.
3693 void LSRInstance::GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3694                                          Formula Base) {
3695   if (LU.Kind != LSRUse::ICmpZero) return;
3696
3697   // Determine the integer type for the base formula.
3698   Type *IntTy = Base.getType();
3699   if (!IntTy) return;
3700   if (SE.getTypeSizeInBits(IntTy) > 64) return;
3701
3702   // Don't do this if there is more than one offset.
3703   if (LU.MinOffset != LU.MaxOffset) return;
3704
3705   // Check if transformation is valid. It is illegal to multiply pointer.
3706   if (Base.ScaledReg && Base.ScaledReg->getType()->isPointerTy())
3707     return;
3708   for (const SCEV *BaseReg : Base.BaseRegs)
3709     if (BaseReg->getType()->isPointerTy())
3710       return;
3711   assert(!Base.BaseGV && "ICmpZero use is not legal!");
3712
3713   // Check each interesting stride.
3714   for (int64_t Factor : Factors) {
3715     // Check that the multiplication doesn't overflow.
3716     if (Base.BaseOffset == std::numeric_limits<int64_t>::min() && Factor == -1)
3717       continue;
3718     int64_t NewBaseOffset = (uint64_t)Base.BaseOffset * Factor;
3719     if (NewBaseOffset / Factor != Base.BaseOffset)
3720       continue;
3721     // If the offset will be truncated at this use, check that it is in bounds.
3722     if (!IntTy->isPointerTy() &&
3723         !ConstantInt::isValueValidForType(IntTy, NewBaseOffset))
3724       continue;
3725
3726     // Check that multiplying with the use offset doesn't overflow.
3727     int64_t Offset = LU.MinOffset;
3728     if (Offset == std::numeric_limits<int64_t>::min() && Factor == -1)
3729       continue;
3730     Offset = (uint64_t)Offset * Factor;
3731     if (Offset / Factor != LU.MinOffset)
3732       continue;
3733     // If the offset will be truncated at this use, check that it is in bounds.
3734     if (!IntTy->isPointerTy() &&
3735         !ConstantInt::isValueValidForType(IntTy, Offset))
3736       continue;
3737
3738     Formula F = Base;
3739     F.BaseOffset = NewBaseOffset;
3740
3741     // Check that this scale is legal.
3742     if (!isLegalUse(TTI, Offset, Offset, LU.Kind, LU.AccessTy, F))
3743       continue;
3744
3745     // Compensate for the use having MinOffset built into it.
3746     F.BaseOffset = (uint64_t)F.BaseOffset + Offset - LU.MinOffset;
3747
3748     const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3749
3750     // Check that multiplying with each base register doesn't overflow.
3751     for (size_t i = 0, e = F.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3752       F.BaseRegs[i] = SE.getMulExpr(F.BaseRegs[i], FactorS);
3753       if (getExactSDiv(F.BaseRegs[i], FactorS, SE) != Base.BaseRegs[i])
3754         goto next;
3755     }
3756
3757     // Check that multiplying with the scaled register doesn't overflow.
3758     if (F.ScaledReg) {
3759       F.ScaledReg = SE.getMulExpr(F.ScaledReg, FactorS);
3760       if (getExactSDiv(F.ScaledReg, FactorS, SE) != Base.ScaledReg)
3761         continue;
3762     }
3763
3764     // Check that multiplying with the unfolded offset doesn't overflow.
3765     if (F.UnfoldedOffset != 0) {
3766       if (F.UnfoldedOffset == std::numeric_limits<int64_t>::min() &&
3767           Factor == -1)
3768         continue;
3769       F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset * Factor;
3770       if (F.UnfoldedOffset / Factor != Base.UnfoldedOffset)
3771         continue;
3772       // If the offset will be truncated, check that it is in bounds.
3773       if (!IntTy->isPointerTy() &&
3774           !ConstantInt::isValueValidForType(IntTy, F.UnfoldedOffset))
3775         continue;
3776     }
3777
3778     // If we make it here and it's legal, add it.
3779     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3780   next:;
3781   }
3782 }
3783
3784 /// Generate stride factor reuse formulae by making use of scaled-offset address
3785 /// modes, for example.
3786 void LSRInstance::GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3787   // Determine the integer type for the base formula.
3788   Type *IntTy = Base.getType();
3789   if (!IntTy) return;
3790
3791   // If this Formula already has a scaled register, we can't add another one.
3792   // Try to unscale the formula to generate a better scale.
3793   if (Base.Scale != 0 && !Base.unscale())
3794     return;
3795
3796   assert(Base.Scale == 0 && "unscale did not did its job!");
3797
3798   // Check each interesting stride.
3799   for (int64_t Factor : Factors) {
3800     Base.Scale = Factor;
3801     Base.HasBaseReg = Base.BaseRegs.size() > 1;
3802     // Check whether this scale is going to be legal.
3803     if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy,
3804                     Base)) {
3805       // As a special-case, handle special out-of-loop Basic users specially.
3806       // TODO: Reconsider this special case.
3807       if (LU.Kind == LSRUse::Basic &&
3808           isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LSRUse::Special,
3809                      LU.AccessTy, Base) &&
3810           LU.AllFixupsOutsideLoop)
3811         LU.Kind = LSRUse::Special;
3812       else
3813         continue;
3814     }
3815     // For an ICmpZero, negating a solitary base register won't lead to
3816     // new solutions.
3817     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero &&
3818         !Base.HasBaseReg && Base.BaseOffset == 0 && !Base.BaseGV)
3819       continue;
3820     // For each addrec base reg, if its loop is current loop, apply the scale.
3821     for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3822       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base.BaseRegs[i]);
3823       if (AR && (AR->getLoop() == L || LU.AllFixupsOutsideLoop)) {
3824         const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3825         if (FactorS->isZero())
3826           continue;
3827         // Divide out the factor, ignoring high bits, since we'll be
3828         // scaling the value back up in the end.
3829         if (const SCEV *Quotient = getExactSDiv(AR, FactorS, SE, true)) {
3830           // TODO: This could be optimized to avoid all the copying.
3831           Formula F = Base;
3832           F.ScaledReg = Quotient;
3833           F.deleteBaseReg(F.BaseRegs[i]);
3834           // The canonical representation of 1*reg is reg, which is already in
3835           // Base. In that case, do not try to insert the formula, it will be
3836           // rejected anyway.
3837           if (F.Scale == 1 && (F.BaseRegs.empty() ||
3838                                (AR->getLoop() != L && LU.AllFixupsOutsideLoop)))
3839             continue;
3840           // If AllFixupsOutsideLoop is true and F.Scale is 1, we may generate
3841           // non canonical Formula with ScaledReg's loop not being L.
3842           if (F.Scale == 1 && LU.AllFixupsOutsideLoop)
3843             F.canonicalize(*L);
3844           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3845         }
3846       }
3847     }
3848   }
3849 }
3850
3851 /// Generate reuse formulae from different IV types.
3852 void LSRInstance::GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3853   // Don't bother truncating symbolic values.
3854   if (Base.BaseGV) return;
3855
3856   // Determine the integer type for the base formula.
3857   Type *DstTy = Base.getType();
3858   if (!DstTy) return;
3859   DstTy = SE.getEffectiveSCEVType(DstTy);
3860
3861   for (Type *SrcTy : Types) {
3862     if (SrcTy != DstTy && TTI.isTruncateFree(SrcTy, DstTy)) {
3863       Formula F = Base;
3864
3865       if (F.ScaledReg) F.ScaledReg = SE.getAnyExtendExpr(F.ScaledReg, SrcTy);
3866       for (const SCEV *&BaseReg : F.BaseRegs)
3867         BaseReg = SE.getAnyExtendExpr(BaseReg, SrcTy);
3868
3869       // TODO: This assumes we've done basic processing on all uses and
3870       // have an idea what the register usage is.
3871       if (!F.hasRegsUsedByUsesOtherThan(LUIdx, RegUses))
3872         continue;
3873
3874       F.canonicalize(*L);
3875       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3876     }
3877   }
3878 }
3879
3880 namespace {
3881
3882 /// Helper class for GenerateCrossUseConstantOffsets. It's used to defer
3883 /// modifications so that the search phase doesn't have to worry about the data
3884 /// structures moving underneath it.
3885 struct WorkItem {
3886   size_t LUIdx;
3887   int64_t Imm;
3888   const SCEV *OrigReg;
3889
3890   WorkItem(size_t LI, int64_t I, const SCEV *R)
3891       : LUIdx(LI), Imm(I), OrigReg(R) {}
3892
3893   void print(raw_ostream &OS) const;
3894   void dump() const;
3895 };
3896
3897 } // end anonymous namespace
3898
3899 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
3900 void WorkItem::print(raw_ostream &OS) const {
3901   OS << "in formulae referencing " << *OrigReg << " in use " << LUIdx
3902      << " , add offset " << Imm;
3903 }
3904
3905 LLVM_DUMP_METHOD void WorkItem::dump() const {
3906   print(errs()); errs() << '\n';
3907 }
3908 #endif
3909
3910 /// Look for registers which are a constant distance apart and try to form reuse
3911 /// opportunities between them.
3912 void LSRInstance::GenerateCrossUseConstantOffsets() {
3913   // Group the registers by their value without any added constant offset.
3914   using ImmMapTy = std::map<int64_t, const SCEV *>;
3915
3916   DenseMap<const SCEV *, ImmMapTy> Map;
3917   DenseMap<const SCEV *, SmallBitVector> UsedByIndicesMap;
3918   SmallVector<const SCEV *, 8> Sequence;
3919   for (const SCEV *Use : RegUses) {
3920     const SCEV *Reg = Use; // Make a copy for ExtractImmediate to modify.
3921     int64_t Imm = ExtractImmediate(Reg, SE);
3922     auto Pair = Map.insert(std::make_pair(Reg, ImmMapTy()));
3923     if (Pair.second)
3924       Sequence.push_back(Reg);
3925     Pair.first->second.insert(std::make_pair(Imm, Use));
3926     UsedByIndicesMap[Reg] |= RegUses.getUsedByIndices(Use);
3927   }
3928
3929   // Now examine each set of registers with the same base value. Build up
3930   // a list of work to do and do the work in a separate step so that we're
3931   // not adding formulae and register counts while we're searching.
3932   SmallVector<WorkItem, 32> WorkItems;
3933   SmallSet<std::pair<size_t, int64_t>, 32> UniqueItems;
3934   for (const SCEV *Reg : Sequence) {
3935     const ImmMapTy &Imms = Map.find(Reg)->second;
3936
3937     // It's not worthwhile looking for reuse if there's only one offset.
3938     if (Imms.size() == 1)
3939       continue;
3940
3941     DEBUG(dbgs() << "Generating cross-use offsets for " << *Reg << ':';
3942           for (const auto &Entry : Imms)
3943             dbgs() << ' ' << Entry.first;
3944           dbgs() << '\n');
3945
3946     // Examine each offset.
3947     for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3948          J != JE; ++J) {
3949       const SCEV *OrigReg = J->second;
3950
3951       int64_t JImm = J->first;
3952       const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(OrigReg);
3953
3954       if (!isa<SCEVConstant>(OrigReg) &&
3955           UsedByIndicesMap[Reg].count() == 1) {
3956         DEBUG(dbgs() << "Skipping cross-use reuse for " << *OrigReg << '\n');
3957         continue;
3958       }
3959
3960       // Conservatively examine offsets between this orig reg a few selected
3961       // other orig regs.
3962       ImmMapTy::const_iterator OtherImms[] = {
3963         Imms.begin(), std::prev(Imms.end()),
3964         Imms.lower_bound((Imms.begin()->first + std::prev(Imms.end())->first) /
3965                          2)
3966       };
3967       for (size_t i = 0, e = array_lengthof(OtherImms); i != e; ++i) {
3968         ImmMapTy::const_iterator M = OtherImms[i];
3969         if (M == J || M == JE) continue;
3970
3971         // Compute the difference between the two.
3972         int64_t Imm = (uint64_t)JImm - M->first;
3973         for (unsigned LUIdx : UsedByIndices.set_bits())
3974           // Make a memo of this use, offset, and register tuple.
3975           if (UniqueItems.insert(std::make_pair(LUIdx, Imm)).second)
3976             WorkItems.push_back(WorkItem(LUIdx, Imm, OrigReg));
3977       }
3978     }
3979   }
3980
3981   Map.clear();
3982   Sequence.clear();
3983   UsedByIndicesMap.clear();
3984   UniqueItems.clear();
3985
3986   // Now iterate through the worklist and add new formulae.
3987   for (const WorkItem &WI : WorkItems) {
3988     size_t LUIdx = WI.LUIdx;
3989     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3990     int64_t Imm = WI.Imm;
3991     const SCEV *OrigReg = WI.OrigReg;
3992
3993     Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(OrigReg->getType());
3994     const SCEV *NegImmS = SE.getSCEV(ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Imm));
3995     unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(IntTy);
3996
3997     // TODO: Use a more targeted data structure.
3998     for (size_t L = 0, LE = LU.Formulae.size(); L != LE; ++L) {
3999       Formula F = LU.Formulae[L];
4000       // FIXME: The code for the scaled and unscaled registers looks
4001       // very similar but slightly different. Investigate if they
4002       // could be merged. That way, we would not have to unscale the
4003       // Formula.
4004       F.unscale();
4005       // Use the immediate in the scaled register.
4006       if (F.ScaledReg == OrigReg) {
4007         int64_t Offset = (uint64_t)F.BaseOffset + Imm * (uint64_t)F.Scale;
4008         // Don't create 50 + reg(-50).
4009         if (F.referencesReg(SE.getSCEV(
4010                    ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offset))))
4011           continue;
4012         Formula NewF = F;
4013         NewF.BaseOffset = Offset;
4014         if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy,
4015                         NewF))
4016           continue;
4017         NewF.ScaledReg = SE.getAddExpr(NegImmS, NewF.ScaledReg);
4018
4019         // If the new scale is a constant in a register, and adding the constant
4020         // value to the immediate would produce a value closer to zero than the
4021         // immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
4022         if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewF.ScaledReg))
4023           if (C->getValue()->isNegative() != (NewF.BaseOffset < 0) &&
4024               (C->getAPInt().abs() * APInt(BitWidth, F.Scale))
4025                   .ule(std::abs(NewF.BaseOffset)))
4026             continue;
4027
4028         // OK, looks good.
4029         NewF.canonicalize(*this->L);
4030         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
4031       } else {
4032         // Use the immediate in a base register.
4033         for (size_t N = 0, NE = F.BaseRegs.size(); N != NE; ++N) {
4034           const SCEV *BaseReg = F.BaseRegs[N];
4035           if (BaseReg != OrigReg)
4036             continue;
4037           Formula NewF = F;
4038           NewF.BaseOffset = (uint64_t)NewF.BaseOffset + Imm;
4039           if (!isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
4040                           LU.Kind, LU.AccessTy, NewF)) {
4041             if (!TTI.isLegalAddImmediate((uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm))
4042               continue;
4043             NewF = F;
4044             NewF.UnfoldedOffset = (uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm;
4045           }
4046           NewF.BaseRegs[N] = SE.getAddExpr(NegImmS, BaseReg);
4047
4048           // If the new formula has a constant in a register, and adding the
4049           // constant value to the immediate would produce a value closer to
4050           // zero than the immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
4051           for (const SCEV *NewReg : NewF.BaseRegs)
4052             if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewReg))
4053               if ((C->getAPInt() + NewF.BaseOffset)
4054                       .abs()
4055                       .slt(std::abs(NewF.BaseOffset)) &&
4056                   (C->getAPInt() + NewF.BaseOffset).countTrailingZeros() >=
4057                       countTrailingZeros<uint64_t>(NewF.BaseOffset))
4058                 goto skip_formula;
4059
4060           // Ok, looks good.
4061           NewF.canonicalize(*this->L);
4062           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
4063           break;
4064         skip_formula:;
4065         }
4066       }
4067     }
4068   }
4069 }
4070
4071 /// Generate formulae for each use.
4072 void
4073 LSRInstance::GenerateAllReuseFormulae() {
4074   // This is split into multiple loops so that hasRegsUsedByUsesOtherThan
4075   // queries are more precise.
4076   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4077     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4078     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
4079       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
4080     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
4081       GenerateCombinations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
4082   }
4083   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4084     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4085     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
4086       GenerateSymbolicOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
4087     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
4088       GenerateConstantOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
4089     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
4090       GenerateICmpZeroScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
4091     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
4092       GenerateScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
4093   }
4094   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4095     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4096     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
4097       GenerateTruncates(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
4098   }
4099
4100   GenerateCrossUseConstantOffsets();
4101
4102   DEBUG(dbgs() << "\n"
4103                   "After generating reuse formulae:\n";
4104         print_uses(dbgs()));
4105 }
4106
4107 /// If there are multiple formulae with the same set of registers used
4108 /// by other uses, pick the best one and delete the others.
4109 void LSRInstance::FilterOutUndesirableDedicatedRegisters() {
4110   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
4111   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> Regs;
4112   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> LoserRegs;
4113 #ifndef NDEBUG
4114   bool ChangedFormulae = false;
4115 #endif
4116
4117   // Collect the best formula for each unique set of shared registers. This
4118   // is reset for each use.
4119   using BestFormulaeTy =
4120       DenseMap<SmallVector<const SCEV *, 4>, size_t, UniquifierDenseMapInfo>;
4121
4122   BestFormulaeTy BestFormulae;
4123
4124   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4125     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4126     DEBUG(dbgs() << "Filtering for use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4127
4128     bool Any = false;
4129     for (size_t FIdx = 0, NumForms = LU.Formulae.size();
4130          FIdx != NumForms; ++FIdx) {
4131       Formula &F = LU.Formulae[FIdx];
4132
4133       // Some formulas are instant losers. For example, they may depend on
4134       // nonexistent AddRecs from other loops. These need to be filtered
4135       // immediately, otherwise heuristics could choose them over others leading
4136       // to an unsatisfactory solution. Passing LoserRegs into RateFormula here
4137       // avoids the need to recompute this information across formulae using the
4138       // same bad AddRec. Passing LoserRegs is also essential unless we remove
4139       // the corresponding bad register from the Regs set.
4140       Cost CostF;
4141       Regs.clear();
4142       CostF.RateFormula(TTI, F, Regs, VisitedRegs, L, SE, DT, LU, &LoserRegs);
4143       if (CostF.isLoser()) {
4144         // During initial formula generation, undesirable formulae are generated
4145         // by uses within other loops that have some non-trivial address mode or
4146         // use the postinc form of the IV. LSR needs to provide these formulae
4147         // as the basis of rediscovering the desired formula that uses an AddRec
4148         // corresponding to the existing phi. Once all formulae have been
4149         // generated, these initial losers may be pruned.
4150         DEBUG(dbgs() << "  Filtering loser "; F.print(dbgs());
4151               dbgs() << "\n");
4152       }
4153       else {
4154         SmallVector<const SCEV *, 4> Key;
4155         for (const SCEV *Reg : F.BaseRegs) {
4156           if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(Reg, LUIdx))
4157             Key.push_back(Reg);
4158         }
4159         if (F.ScaledReg &&
4160             RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(F.ScaledReg, LUIdx))
4161           Key.push_back(F.ScaledReg);
4162         // Unstable sort by host order ok, because this is only used for
4163         // uniquifying.
4164         std::sort(Key.begin(), Key.end());
4165
4166         std::pair<BestFormulaeTy::const_iterator, bool> P =
4167           BestFormulae.insert(std::make_pair(Key, FIdx));
4168         if (P.second)
4169           continue;
4170
4171         Formula &Best = LU.Formulae[P.first->second];
4172
4173         Cost CostBest;
4174         Regs.clear();
4175         CostBest.RateFormula(TTI, Best, Regs, VisitedRegs, L, SE, DT, LU);
4176         if (CostF.isLess(CostBest, TTI))
4177           std::swap(F, Best);
4178         DEBUG(dbgs() << "  Filtering out formula "; F.print(dbgs());
4179               dbgs() << "\n"
4180                         "    in favor of formula "; Best.print(dbgs());
4181               dbgs() << '\n');
4182       }
4183 #ifndef NDEBUG
4184       ChangedFormulae = true;
4185 #endif
4186       LU.DeleteFormula(F);
4187       --FIdx;
4188       --NumForms;
4189       Any = true;
4190     }
4191
4192     // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
4193     if (Any)
4194       LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
4195
4196     // Reset this to prepare for the next use.
4197     BestFormulae.clear();
4198   }
4199
4200   DEBUG(if (ChangedFormulae) {
4201           dbgs() << "\n"
4202                     "After filtering out undesirable candidates:\n";
4203           print_uses(dbgs());
4204         });
4205 }
4206
4207 // This is a rough guess that seems to work fairly well.
4208 static const size_t ComplexityLimit = std::numeric_limits<uint16_t>::max();
4209
4210 /// Estimate the worst-case number of solutions the solver might have to
4211 /// consider. It almost never considers this many solutions because it prune the
4212 /// search space, but the pruning isn't always sufficient.
4213 size_t LSRInstance::EstimateSearchSpaceComplexity() const {
4214   size_t Power = 1;
4215   for (const LSRUse &LU : Uses) {
4216     size_t FSize = LU.Formulae.size();
4217     if (FSize >= ComplexityLimit) {
4218       Power = ComplexityLimit;
4219       break;
4220     }
4221     Power *= FSize;
4222     if (Power >= ComplexityLimit)
4223       break;
4224   }
4225   return Power;
4226 }
4227
4228 /// When one formula uses a superset of the registers of another formula, it
4229 /// won't help reduce register pressure (though it may not necessarily hurt
4230 /// register pressure); remove it to simplify the system.
4231 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets() {
4232   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
4233     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
4234
4235     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by eliminating formulae "
4236                     "which use a superset of registers used by other "
4237                     "formulae.\n");
4238
4239     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4240       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4241       bool Any = false;
4242       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
4243         Formula &F = LU.Formulae[i];
4244         // Look for a formula with a constant or GV in a register. If the use
4245         // also has a formula with that same value in an immediate field,
4246         // delete the one that uses a register.
4247         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
4248              I = F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
4249           if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*I)) {
4250             Formula NewF = F;
4251             NewF.BaseOffset += C->getValue()->getSExtValue();
4252             NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
4253                                 (I - F.BaseRegs.begin()));
4254             if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
4255               DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4256               LU.DeleteFormula(F);
4257               --i;
4258               --e;
4259               Any = true;
4260               break;
4261             }
4262           } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(*I)) {
4263             if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue()))
4264               if (!F.BaseGV) {
4265                 Formula NewF = F;
4266                 NewF.BaseGV = GV;
4267                 NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
4268                                     (I - F.BaseRegs.begin()));
4269                 if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
4270                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
4271                         dbgs() << '\n');
4272                   LU.DeleteFormula(F);
4273                   --i;
4274                   --e;
4275                   Any = true;
4276                   break;
4277                 }
4278               }
4279           }
4280         }
4281       }
4282       if (Any)
4283         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
4284     }
4285
4286     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
4287           print_uses(dbgs()));
4288   }
4289 }
4290
4291 /// When there are many registers for expressions like A, A+1, A+2, etc.,
4292 /// allocate a single register for them.
4293 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode() {
4294   if (EstimateSearchSpaceComplexity() < ComplexityLimit)
4295     return;
4296
4297   DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n"
4298                   "Narrowing the search space by assuming that uses separated "
4299                   "by a constant offset will use the same registers.\n");
4300
4301   // This is especially useful for unrolled loops.
4302
4303   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4304     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4305     for (const Formula &F : LU.Formulae) {
4306       if (F.BaseOffset == 0 || (F.Scale != 0 && F.Scale != 1))
4307         continue;
4308
4309       LSRUse *LUThatHas = FindUseWithSimilarFormula(F, LU);
4310       if (!LUThatHas)
4311         continue;
4312
4313       if (!reconcileNewOffset(*LUThatHas, F.BaseOffset, /*HasBaseReg=*/ false,
4314                               LU.Kind, LU.AccessTy))
4315         continue;
4316
4317       DEBUG(dbgs() << "  Deleting use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4318
4319       LUThatHas->AllFixupsOutsideLoop &= LU.AllFixupsOutsideLoop;
4320
4321       // Transfer the fixups of LU to LUThatHas.
4322       for (LSRFixup &Fixup : LU.Fixups) {
4323         Fixup.Offset += F.BaseOffset;
4324         LUThatHas->pushFixup(Fixup);
4325         DEBUG(dbgs() << "New fixup has offset " << Fixup.Offset << '\n');
4326       }
4327
4328       // Delete formulae from the new use which are no longer legal.
4329       bool Any = false;
4330       for (size_t i = 0, e = LUThatHas->Formulae.size(); i != e; ++i) {
4331         Formula &F = LUThatHas->Formulae[i];
4332         if (!isLegalUse(TTI, LUThatHas->MinOffset, LUThatHas->MaxOffset,
4333                         LUThatHas->Kind, LUThatHas->AccessTy, F)) {
4334           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
4335                 dbgs() << '\n');
4336           LUThatHas->DeleteFormula(F);
4337           --i;
4338           --e;
4339           Any = true;
4340         }
4341       }
4342
4343       if (Any)
4344         LUThatHas->RecomputeRegs(LUThatHas - &Uses.front(), RegUses);
4345
4346       // Delete the old use.
4347       DeleteUse(LU, LUIdx);
4348       --LUIdx;
4349       --NumUses;
4350       break;
4351     }
4352   }
4353
4354   DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n"; print_uses(dbgs()));
4355 }
4356
4357 /// Call FilterOutUndesirableDedicatedRegisters again, if necessary, now that
4358 /// we've done more filtering, as it may be able to find more formulae to
4359 /// eliminate.
4360 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters(){
4361   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
4362     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
4363
4364     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by re-filtering out "
4365                     "undesirable dedicated registers.\n");
4366
4367     FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
4368
4369     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
4370           print_uses(dbgs()));
4371   }
4372 }
4373
4374 /// If a LSRUse has multiple formulae with the same ScaledReg and Scale.
4375 /// Pick the best one and delete the others.
4376 /// This narrowing heuristic is to keep as many formulae with different
4377 /// Scale and ScaledReg pair as possible while narrowing the search space.
4378 /// The benefit is that it is more likely to find out a better solution
4379 /// from a formulae set with more Scale and ScaledReg variations than
4380 /// a formulae set with the same Scale and ScaledReg. The picking winner
4381 /// reg heurstic will often keep the formulae with the same Scale and
4382 /// ScaledReg and filter others, and we want to avoid that if possible.
4383 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByFilterFormulaWithSameScaledReg() {
4384   if (EstimateSearchSpaceComplexity() < ComplexityLimit)
4385     return;
4386
4387   DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n"
4388                   "Narrowing the search space by choosing the best Formula "
4389                   "from the Formulae with the same Scale and ScaledReg.\n");
4390
4391   // Map the "Scale * ScaledReg" pair to the best formula of current LSRUse.
4392   using BestFormulaeTy = DenseMap<std::pair<const SCEV *, int64_t>, size_t>;
4393
4394   BestFormulaeTy BestFormulae;
4395 #ifndef NDEBUG
4396   bool ChangedFormulae = false;
4397 #endif
4398   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
4399   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> Regs;
4400
4401   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4402     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4403     DEBUG(dbgs() << "Filtering for use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4404
4405     // Return true if Formula FA is better than Formula FB.
4406     auto IsBetterThan = [&](Formula &FA, Formula &FB) {
4407       // First we will try to choose the Formula with fewer new registers.
4408       // For a register used by current Formula, the more the register is
4409       // shared among LSRUses, the less we increase the register number
4410       // counter of the formula.
4411       size_t FARegNum = 0;
4412       for (const SCEV *Reg : FA.BaseRegs) {
4413         const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(Reg);
4414         FARegNum += (NumUses - UsedByIndices.count() + 1);
4415       }
4416       size_t FBRegNum = 0;
4417       for (const SCEV *Reg : FB.BaseRegs) {
4418         const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(Reg);
4419         FBRegNum += (NumUses - UsedByIndices.count() + 1);
4420       }
4421       if (FARegNum != FBRegNum)
4422         return FARegNum < FBRegNum;
4423
4424       // If the new register numbers are the same, choose the Formula with
4425       // less Cost.
4426       Cost CostFA, CostFB;
4427       Regs.clear();
4428       CostFA.RateFormula(TTI, FA, Regs, VisitedRegs, L, SE, DT, LU);
4429       Regs.clear();
4430       CostFB.RateFormula(TTI, FB, Regs, VisitedRegs, L, SE, DT, LU);
4431       return CostFA.isLess(CostFB, TTI);
4432     };
4433
4434     bool Any = false;
4435     for (size_t FIdx = 0, NumForms = LU.Formulae.size(); FIdx != NumForms;
4436          ++FIdx) {
4437       Formula &F = LU.Formulae[FIdx];
4438       if (!F.ScaledReg)
4439         continue;
4440       auto P = BestFormulae.insert({{F.ScaledReg, F.Scale}, FIdx});
4441       if (P.second)
4442         continue;
4443
4444       Formula &Best = LU.Formulae[P.first->second];
4445       if (IsBetterThan(F, Best))
4446         std::swap(F, Best);
4447       DEBUG(dbgs() << "  Filtering out formula "; F.print(dbgs());
4448             dbgs() << "\n"
4449                       "    in favor of formula ";
4450             Best.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4451 #ifndef NDEBUG
4452       ChangedFormulae = true;
4453 #endif
4454       LU.DeleteFormula(F);
4455       --FIdx;
4456       --NumForms;
4457       Any = true;
4458     }
4459     if (Any)
4460       LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
4461
4462     // Reset this to prepare for the next use.
4463     BestFormulae.clear();
4464   }
4465
4466   DEBUG(if (ChangedFormulae) {
4467     dbgs() << "\n"
4468               "After filtering out undesirable candidates:\n";
4469     print_uses(dbgs());
4470   });
4471 }
4472
4473 /// The function delete formulas with high registers number expectation.
4474 /// Assuming we don't know the value of each formula (already delete
4475 /// all inefficient), generate probability of not selecting for each
4476 /// register.
4477 /// For example,
4478 /// Use1:
4479 ///  reg(a) + reg({0,+,1})
4480 ///  reg(a) + reg({-1,+,1}) + 1
4481 ///  reg({a,+,1})
4482 /// Use2:
4483 ///  reg(b) + reg({0,+,1})
4484 ///  reg(b) + reg({-1,+,1}) + 1
4485 ///  reg({b,+,1})
4486 /// Use3:
4487 ///  reg(c) + reg(b) + reg({0,+,1})
4488 ///  reg(c) + reg({b,+,1})
4489 ///
4490 /// Probability of not selecting
4491 ///                 Use1   Use2    Use3
4492 /// reg(a)         (1/3) *   1   *   1
4493 /// reg(b)           1   * (1/3) * (1/2)
4494 /// reg({0,+,1})   (2/3) * (2/3) * (1/2)
4495 /// reg({-1,+,1})  (2/3) * (2/3) *   1
4496 /// reg({a,+,1})   (2/3) *   1   *   1
4497 /// reg({b,+,1})     1   * (2/3) * (2/3)
4498 /// reg(c)           1   *   1   *   0
4499 ///
4500 /// Now count registers number mathematical expectation for each formula:
4501 /// Note that for each use we exclude probability if not selecting for the use.
4502 /// For example for Use1 probability for reg(a) would be just 1 * 1 (excluding
4503 /// probabilty 1/3 of not selecting for Use1).
4504 /// Use1:
4505 ///  reg(a) + reg({0,+,1})          1 + 1/3       -- to be deleted
4506 ///  reg(a) + reg({-1,+,1}) + 1     1 + 4/9       -- to be deleted
4507 ///  reg({a,+,1})                   1
4508 /// Use2:
4509 ///  reg(b) + reg({0,+,1})          1/2 + 1/3     -- to be deleted
4510 ///  reg(b) + reg({-1,+,1}) + 1     1/2 + 2/3     -- to be deleted
4511 ///  reg({b,+,1})                   2/3
4512 /// Use3:
4513 ///  reg(c) + reg(b) + reg({0,+,1}) 1 + 1/3 + 4/9 -- to be deleted
4514 ///  reg(c) + reg({b,+,1})          1 + 2/3
4515 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByDeletingCostlyFormulas() {
4516   if (EstimateSearchSpaceComplexity() < ComplexityLimit)
4517     return;
4518   // Ok, we have too many of formulae on our hands to conveniently handle.
4519   // Use a rough heuristic to thin out the list.
4520
4521   // Set of Regs wich will be 100% used in final solution.
4522   // Used in each formula of a solution (in example above this is reg(c)).
4523   // We can skip them in calculations.
4524   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> UniqRegs;
4525   DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
4526
4527   // Map each register to probability of not selecting
4528   DenseMap <const SCEV *, float> RegNumMap;
4529   for (const SCEV *Reg : RegUses) {
4530     if (UniqRegs.count(Reg))
4531       continue;
4532     float PNotSel = 1;
4533     for (const LSRUse &LU : Uses) {
4534       if (!LU.Regs.count(Reg))
4535         continue;
4536       float P = LU.getNotSelectedProbability(Reg);
4537       if (P != 0.0)
4538         PNotSel *= P;
4539       else
4540         UniqRegs.insert(Reg);
4541     }
4542     RegNumMap.insert(std::make_pair(Reg, PNotSel));
4543   }
4544
4545   DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by deleting costly formulas\n");
4546
4547   // Delete formulas where registers number expectation is high.
4548   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4549     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4550     // If nothing to delete - continue.
4551     if (LU.Formulae.size() < 2)
4552       continue;
4553     // This is temporary solution to test performance. Float should be
4554     // replaced with round independent type (based on integers) to avoid
4555     // different results for different target builds.
4556     float FMinRegNum = LU.Formulae[0].getNumRegs();
4557     float FMinARegNum = LU.Formulae[0].getNumRegs();
4558     size_t MinIdx = 0;
4559     for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
4560       Formula &F = LU.Formulae[i];
4561       float FRegNum = 0;
4562       float FARegNum = 0;
4563       for (const SCEV *BaseReg : F.BaseRegs) {
4564         if (UniqRegs.count(BaseReg))
4565           continue;
4566         FRegNum += RegNumMap[BaseReg] / LU.getNotSelectedProbability(BaseReg);
4567         if (isa<SCEVAddRecExpr>(BaseReg))
4568           FARegNum +=
4569               RegNumMap[BaseReg] / LU.getNotSelectedProbability(BaseReg);
4570       }
4571       if (const SCEV *ScaledReg = F.ScaledReg) {
4572         if (!UniqRegs.count(ScaledReg)) {
4573           FRegNum +=
4574               RegNumMap[ScaledReg] / LU.getNotSelectedProbability(ScaledReg);
4575           if (isa<SCEVAddRecExpr>(ScaledReg))
4576             FARegNum +=
4577                 RegNumMap[ScaledReg] / LU.getNotSelectedProbability(ScaledReg);
4578         }
4579       }
4580       if (FMinRegNum > FRegNum ||
4581           (FMinRegNum == FRegNum && FMinARegNum > FARegNum)) {
4582         FMinRegNum = FRegNum;
4583         FMinARegNum = FARegNum;
4584         MinIdx = i;
4585       }
4586     }
4587     DEBUG(dbgs() << "  The formula "; LU.Formulae[MinIdx].print(dbgs());
4588           dbgs() << " with min reg num " << FMinRegNum << '\n');
4589     if (MinIdx != 0)
4590       std::swap(LU.Formulae[MinIdx], LU.Formulae[0]);
4591     while (LU.Formulae.size() != 1) {
4592       DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; LU.Formulae.back().print(dbgs());
4593             dbgs() << '\n');
4594       LU.Formulae.pop_back();
4595     }
4596     LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
4597     assert(LU.Formulae.size() == 1 && "Should be exactly 1 min regs formula");
4598     Formula &F = LU.Formulae[0];
4599     DEBUG(dbgs() << "  Leaving only "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4600     // When we choose the formula, the regs become unique.
4601     UniqRegs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
4602     if (F.ScaledReg)
4603       UniqRegs.insert(F.ScaledReg);
4604   }
4605   DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
4606   print_uses(dbgs()));
4607 }
4608
4609 /// Pick a register which seems likely to be profitable, and then in any use
4610 /// which has any reference to that register, delete all formulae which do not
4611 /// reference that register.
4612 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs() {
4613   // With all other options exhausted, loop until the system is simple
4614   // enough to handle.
4615   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Taken;
4616   while (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
4617     // Ok, we have too many of formulae on our hands to conveniently handle.
4618     // Use a rough heuristic to thin out the list.
4619     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
4620
4621     // Pick the register which is used by the most LSRUses, which is likely
4622     // to be a good reuse register candidate.
4623     const SCEV *Best = nullptr;
4624     unsigned BestNum = 0;
4625     for (const SCEV *Reg : RegUses) {
4626       if (Taken.count(Reg))
4627         continue;
4628       if (!Best) {
4629         Best = Reg;
4630         BestNum = RegUses.getUsedByIndices(Reg).count();
4631       } else {
4632         unsigned Count = RegUses.getUsedByIndices(Reg).count();
4633         if (Count > BestNum) {
4634           Best = Reg;
4635           BestNum = Count;
4636         }
4637       }
4638     }
4639
4640     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming " << *Best
4641                  << " will yield profitable reuse.\n");
4642     Taken.insert(Best);
4643
4644     // In any use with formulae which references this register, delete formulae
4645     // which don't reference it.
4646     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
4647       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
4648       if (!LU.Regs.count(Best)) continue;
4649
4650       bool Any = false;
4651       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
4652         Formula &F = LU.Formulae[i];
4653         if (!F.referencesReg(Best)) {
4654           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
4655           LU.DeleteFormula(F);
4656           --e;
4657           --i;
4658           Any = true;
4659           assert(e != 0 && "Use has no formulae left! Is Regs inconsistent?");
4660           continue;
4661         }
4662       }
4663
4664       if (Any)
4665         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
4666     }
4667
4668     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
4669           print_uses(dbgs()));
4670   }
4671 }
4672
4673 /// If there are an extraordinary number of formulae to choose from, use some
4674 /// rough heuristics to prune down the number of formulae. This keeps the main
4675 /// solver from taking an extraordinary amount of time in some worst-case
4676 /// scenarios.
4677 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceUsingHeuristics() {
4678   NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
4679   NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
4680   NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
4681   if (FilterSameScaledReg)
4682     NarrowSearchSpaceByFilterFormulaWithSameScaledReg();
4683   if (LSRExpNarrow)
4684     NarrowSearchSpaceByDeletingCostlyFormulas();
4685   else
4686     NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
4687 }
4688
4689 /// This is the recursive solver.
4690 void LSRInstance::SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
4691                                Cost &SolutionCost,
4692                                SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
4693                                const Cost &CurCost,
4694                                const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
4695                                DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const {
4696   // Some ideas:
4697   //  - prune more:
4698   //    - use more aggressive filtering
4699   //    - sort the formula so that the most profitable solutions are found first
4700   //    - sort the uses too
4701   //  - search faster:
4702   //    - don't compute a cost, and then compare. compare while computing a cost
4703   //      and bail early.
4704   //    - track register sets with SmallBitVector
4705
4706   const LSRUse &LU = Uses[Workspace.size()];
4707
4708   // If this use references any register that's already a part of the
4709   // in-progress solution, consider it a requirement that a formula must
4710   // reference that register in order to be considered. This prunes out
4711   // unprofitable searching.
4712   SmallSetVector<const SCEV *, 4> ReqRegs;
4713   for (const SCEV *S : CurRegs)
4714     if (LU.Regs.count(S))
4715       ReqRegs.insert(S);
4716
4717   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> NewRegs;
4718   Cost NewCost;
4719   for (const Formula &F : LU.Formulae) {
4720     // Ignore formulae which may not be ideal in terms of register reuse of
4721     // ReqRegs.  The formula should use all required registers before
4722     // introducing new ones.
4723     int NumReqRegsToFind = std::min(F.getNumRegs(), ReqRegs.size());
4724     for (const SCEV *Reg : ReqRegs) {
4725       if ((F.ScaledReg && F.ScaledReg == Reg) ||
4726           is_contained(F.BaseRegs, Reg)) {
4727         --NumReqRegsToFind;
4728         if (NumReqRegsToFind == 0)
4729           break;
4730       }
4731     }
4732     if (NumReqRegsToFind != 0) {
4733       // If none of the formulae satisfied the required registers, then we could
4734       // clear ReqRegs and try again. Currently, we simply give up in this case.
4735       continue;
4736     }
4737
4738     // Evaluate the cost of the current formula. If it's already worse than
4739     // the current best, prune the search at that point.
4740     NewCost = CurCost;
4741     NewRegs = CurRegs;
4742     NewCost.RateFormula(TTI, F, NewRegs, VisitedRegs, L, SE, DT, LU);
4743     if (NewCost.isLess(SolutionCost, TTI)) {
4744       Workspace.push_back(&F);
4745       if (Workspace.size() != Uses.size()) {
4746         SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, NewCost,
4747                      NewRegs, VisitedRegs);
4748         if (F.getNumRegs() == 1 && Workspace.size() == 1)
4749           VisitedRegs.insert(F.ScaledReg ? F.ScaledReg : F.BaseRegs[0]);
4750       } else {
4751         DEBUG(dbgs() << "New best at "; NewCost.print(dbgs());
4752               dbgs() << ".\n Regs:";
4753               for (const SCEV *S : NewRegs)
4754                 dbgs() << ' ' << *S;
4755               dbgs() << '\n');
4756
4757         SolutionCost = NewCost;
4758         Solution = Workspace;
4759       }
4760       Workspace.pop_back();
4761     }
4762   }
4763 }
4764
4765 /// Choose one formula from each use. Return the results in the given Solution
4766 /// vector.
4767 void LSRInstance::Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const {
4768   SmallVector<const Formula *, 8> Workspace;
4769   Cost SolutionCost;
4770   SolutionCost.Lose();
4771   Cost CurCost;
4772   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> CurRegs;
4773   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
4774   Workspace.reserve(Uses.size());
4775
4776   // SolveRecurse does all the work.
4777   SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, CurCost,
4778                CurRegs, VisitedRegs);
4779   if (Solution.empty()) {
4780     DEBUG(dbgs() << "\nNo Satisfactory Solution\n");
4781     return;
4782   }
4783
4784   // Ok, we've now made all our decisions.
4785   DEBUG(dbgs() << "\n"
4786                   "The chosen solution requires "; SolutionCost.print(dbgs());
4787         dbgs() << ":\n";
4788         for (size_t i = 0, e = Uses.size(); i != e; ++i) {
4789           dbgs() << "  ";
4790           Uses[i].print(dbgs());
4791           dbgs() << "\n"
4792                     "    ";
4793           Solution[i]->print(dbgs());
4794           dbgs() << '\n';
4795         });
4796
4797   assert(Solution.size() == Uses.size() && "Malformed solution!");
4798 }
4799
4800 /// Helper for AdjustInsertPositionForExpand. Climb up the dominator tree far as
4801 /// we can go while still being dominated by the input positions. This helps
4802 /// canonicalize the insert position, which encourages sharing.
4803 BasicBlock::iterator
4804 LSRInstance::HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
4805                                  const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs)
4806                                                                          const {
4807   Instruction *Tentative = &*IP;
4808   while (true) {
4809     bool AllDominate = true;
4810     Instruction *BetterPos = nullptr;
4811     // Don't bother attempting to insert before a catchswitch, their basic block
4812     // cannot have other non-PHI instructions.
4813     if (isa<CatchSwitchInst>(Tentative))
4814       return IP;
4815
4816     for (Instruction *Inst : Inputs) {
4817       if (Inst == Tentative || !DT.dominates(Inst, Tentative)) {
4818         AllDominate = false;
4819         break;
4820       }
4821       // Attempt to find an insert position in the middle of the block,
4822       // instead of at the end, so that it can be used for other expansions.
4823       if (Tentative->getParent() == Inst->getParent() &&
4824           (!BetterPos || !DT.dominates(Inst, BetterPos)))
4825         BetterPos = &*std::next(BasicBlock::iterator(Inst));
4826     }
4827     if (!AllDominate)
4828       break;
4829     if (BetterPos)
4830       IP = BetterPos->getIterator();
4831     else
4832       IP = Tentative->getIterator();
4833
4834     const Loop *IPLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
4835     unsigned IPLoopDepth = IPLoop ? IPLoop->getLoopDepth() : 0;
4836
4837     BasicBlock *IDom;
4838     for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(IP->getParent()); ; ) {
4839       if (!Rung) return IP;
4840       Rung = Rung->getIDom();
4841       if (!Rung) return IP;
4842       IDom = Rung->getBlock();
4843
4844       // Don't climb into a loop though.
4845       const Loop *IDomLoop = LI.getLoopFor(IDom);
4846       unsigned IDomDepth = IDomLoop ? IDomLoop->getLoopDepth() : 0;
4847       if (IDomDepth <= IPLoopDepth &&
4848           (IDomDepth != IPLoopDepth || IDomLoop == IPLoop))
4849         break;
4850     }
4851
4852     Tentative = IDom->getTerminator();
4853   }
4854
4855   return IP;
4856 }
4857
4858 /// Determine an input position which will be dominated by the operands and
4859 /// which will dominate the result.
4860 BasicBlock::iterator
4861 LSRInstance::AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator LowestIP,
4862                                            const LSRFixup &LF,
4863                                            const LSRUse &LU,
4864                                            SCEVExpander &Rewriter) const {
4865   // Collect some instructions which must be dominated by the
4866   // expanding replacement. These must be dominated by any operands that
4867   // will be required in the expansion.
4868   SmallVector<Instruction *, 4> Inputs;
4869   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(LF.OperandValToReplace))
4870     Inputs.push_back(I);
4871   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero)
4872     if (Instruction *I =
4873           dyn_cast<Instruction>(cast<ICmpInst>(LF.UserInst)->getOperand(1)))
4874       Inputs.push_back(I);
4875   if (LF.PostIncLoops.count(L)) {
4876     if (LF.isUseFullyOutsideLoop(L))
4877       Inputs.push_back(L->getLoopLatch()->getTerminator());
4878     else
4879       Inputs.push_back(IVIncInsertPos);
4880   }
4881   // The expansion must also be dominated by the increment positions of any
4882   // loops it for which it is using post-inc mode.
4883   for (const Loop *PIL : LF.PostIncLoops) {
4884     if (PIL == L) continue;
4885
4886     // Be dominated by the loop exit.
4887     SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
4888     PIL->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
4889     if (!ExitingBlocks.empty()) {
4890       BasicBlock *BB = ExitingBlocks[0];
4891       for (unsigned i = 1, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i)
4892         BB = DT.findNearestCommonDominator(BB, ExitingBlocks[i]);
4893       Inputs.push_back(BB->getTerminator());
4894     }
4895   }
4896
4897   assert(!isa<PHINode>(LowestIP) && !LowestIP->isEHPad()
4898          && !isa<DbgInfoIntrinsic>(LowestIP) &&
4899          "Insertion point must be a normal instruction");
4900
4901   // Then, climb up the immediate dominator tree as far as we can go while
4902   // still being dominated by the input positions.
4903   BasicBlock::iterator IP = HoistInsertPosition(LowestIP, Inputs);
4904
4905   // Don't insert instructions before PHI nodes.
4906   while (isa<PHINode>(IP)) ++IP;
4907
4908   // Ignore landingpad instructions.
4909   while (IP->isEHPad()) ++IP;
4910
4911   // Ignore debug intrinsics.
4912   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP)) ++IP;
4913
4914   // Set IP below instructions recently inserted by SCEVExpander. This keeps the
4915   // IP consistent across expansions and allows the previously inserted
4916   // instructions to be reused by subsequent expansion.
4917   while (Rewriter.isInsertedInstruction(&*IP) && IP != LowestIP)
4918     ++IP;
4919
4920   return IP;
4921 }
4922
4923 /// Emit instructions for the leading candidate expression for this LSRUse (this
4924 /// is called "expanding").
4925 Value *LSRInstance::Expand(const LSRUse &LU, const LSRFixup &LF,
4926                            const Formula &F, BasicBlock::iterator IP,
4927                            SCEVExpander &Rewriter,
4928                            SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) const {
4929   if (LU.RigidFormula)
4930     return LF.OperandValToReplace;
4931
4932   // Determine an input position which will be dominated by the operands and
4933   // which will dominate the result.
4934   IP = AdjustInsertPositionForExpand(IP, LF, LU, Rewriter);
4935   Rewriter.setInsertPoint(&*IP);
4936
4937   // Inform the Rewriter if we have a post-increment use, so that it can
4938   // perform an advantageous expansion.
4939   Rewriter.setPostInc(LF.PostIncLoops);
4940
4941   // This is the type that the user actually needs.
4942   Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4943   // This will be the type that we'll initially expand to.
4944   Type *Ty = F.getType();
4945   if (!Ty)
4946     // No type known; just expand directly to the ultimate type.
4947     Ty = OpTy;
4948   else if (SE.getEffectiveSCEVType(Ty) == SE.getEffectiveSCEVType(OpTy))
4949     // Expand directly to the ultimate type if it's the right size.
4950     Ty = OpTy;
4951   // This is the type to do integer arithmetic in.
4952   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
4953
4954   // Build up a list of operands to add together to form the full base.
4955   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
4956
4957   // Expand the BaseRegs portion.
4958   for (const SCEV *Reg : F.BaseRegs) {
4959     assert(!Reg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
4960
4961     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4962     Reg = denormalizeForPostIncUse(Reg, LF.PostIncLoops, SE);
4963     Ops.push_back(SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(Reg, nullptr)));
4964   }
4965
4966   // Expand the ScaledReg portion.
4967   Value *ICmpScaledV = nullptr;
4968   if (F.Scale != 0) {
4969     const SCEV *ScaledS = F.ScaledReg;
4970
4971     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4972     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4973     ScaledS = denormalizeForPostIncUse(ScaledS, Loops, SE);
4974
4975     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4976       // Expand ScaleReg as if it was part of the base regs.
4977       if (F.Scale == 1)
4978         Ops.push_back(
4979             SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, nullptr)));
4980       else {
4981         // An interesting way of "folding" with an icmp is to use a negated
4982         // scale, which we'll implement by inserting it into the other operand
4983         // of the icmp.
4984         assert(F.Scale == -1 &&
4985                "The only scale supported by ICmpZero uses is -1!");
4986         ICmpScaledV = Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, nullptr);
4987       }
4988     } else {
4989       // Otherwise just expand the scaled register and an explicit scale,
4990       // which is expected to be matched as part of the address.
4991
4992       // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting address modes.
4993       // Unless the addressing mode will not be folded.
4994       if (!Ops.empty() && LU.Kind == LSRUse::Address &&
4995           isAMCompletelyFolded(TTI, LU, F)) {
4996         Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty);
4997         Ops.clear();
4998         Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4999       }
5000       ScaledS = SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, nullptr));
5001       if (F.Scale != 1)
5002         ScaledS =
5003             SE.getMulExpr(ScaledS, SE.getConstant(ScaledS->getType(), F.Scale));
5004       Ops.push_back(ScaledS);
5005     }
5006   }
5007
5008   // Expand the GV portion.
5009   if (F.BaseGV) {
5010     // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
5011     if (!Ops.empty()) {
5012       Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty);
5013       Ops.clear();
5014       Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
5015     }
5016     Ops.push_back(SE.getUnknown(F.BaseGV));
5017   }
5018
5019   // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting of both folded and
5020   // unfolded offsets. LSR assumes they both live next to their uses.
5021   if (!Ops.empty()) {
5022     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty);
5023     Ops.clear();
5024     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
5025   }
5026
5027   // Expand the immediate portion.
5028   int64_t Offset = (uint64_t)F.BaseOffset + LF.Offset;
5029   if (Offset != 0) {
5030     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
5031       // The other interesting way of "folding" with an ICmpZero is to use a
5032       // negated immediate.
5033       if (!ICmpScaledV)
5034         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offset);
5035       else {
5036         Ops.push_back(SE.getUnknown(ICmpScaledV));
5037         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, Offset);
5038       }
5039     } else {
5040       // Just add the immediate values. These again are expected to be matched
5041       // as part of the address.
5042       Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy, Offset)));
5043     }
5044   }
5045
5046   // Expand the unfolded offset portion.
5047   int64_t UnfoldedOffset = F.UnfoldedOffset;
5048   if (UnfoldedOffset != 0) {
5049     // Just add the immediate values.
5050     Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy,
5051                                                        UnfoldedOffset)));
5052   }
5053
5054   // Emit instructions summing all the operands.
5055   const SCEV *FullS = Ops.empty() ?
5056                       SE.getConstant(IntTy, 0) :
5057                       SE.getAddExpr(Ops);
5058   Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(FullS, Ty);
5059
5060   // We're done expanding now, so reset the rewriter.
5061   Rewriter.clearPostInc();
5062
5063   // An ICmpZero Formula represents an ICmp which we're handling as a
5064   // comparison against zero. Now that we've expanded an expression for that
5065   // form, update the ICmp's other operand.
5066   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
5067     ICmpInst *CI = cast<ICmpInst>(LF.UserInst);
5068     DeadInsts.emplace_back(CI->getOperand(1));
5069     assert(!F.BaseGV && "ICmp does not support folding a global value and "
5070                            "a scale at the same time!");
5071     if (F.Scale == -1) {
5072       if (ICmpScaledV->getType() != OpTy) {
5073         Instruction *Cast =
5074           CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(ICmpScaledV, false,
5075                                                    OpTy, false),
5076                            ICmpScaledV, OpTy, "tmp", CI);
5077         ICmpScaledV = Cast;
5078       }
5079       CI->setOperand(1, ICmpScaledV);
5080     } else {
5081       // A scale of 1 means that the scale has been expanded as part of the
5082       // base regs.
5083       assert((F.Scale == 0 || F.Scale == 1) &&
5084              "ICmp does not support folding a global value and "
5085              "a scale at the same time!");
5086       Constant *C = ConstantInt::getSigned(SE.getEffectiveSCEVType(OpTy),
5087                                            -(uint64_t)Offset);
5088       if (C->getType() != OpTy)
5089         C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
5090                                                           OpTy, false),
5091                                   C, OpTy);
5092
5093       CI->setOperand(1, C);
5094     }
5095   }
5096
5097   return FullV;
5098 }
5099
5100 /// Helper for Rewrite. PHI nodes are special because the use of their operands
5101 /// effectively happens in their predecessor blocks, so the expression may need
5102 /// to be expanded in multiple places.
5103 void LSRInstance::RewriteForPHI(
5104     PHINode *PN, const LSRUse &LU, const LSRFixup &LF, const Formula &F,
5105     SCEVExpander &Rewriter, SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) const {
5106   DenseMap<BasicBlock *, Value *> Inserted;
5107   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
5108     if (PN->getIncomingValue(i) == LF.OperandValToReplace) {
5109       BasicBlock *BB = PN->getIncomingBlock(i);
5110
5111       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
5112       // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
5113       // is the canonical backedge for this loop, which complicates post-inc
5114       // users.
5115       if (e != 1 && BB->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
5116           !isa<IndirectBrInst>(BB->getTerminator()) &&
5117           !isa<CatchSwitchInst>(BB->getTerminator())) {
5118         BasicBlock *Parent = PN->getParent();
5119         Loop *PNLoop = LI.getLoopFor(Parent);
5120         if (!PNLoop || Parent != PNLoop->getHeader()) {
5121           // Split the critical edge.
5122           BasicBlock *NewBB = nullptr;
5123           if (!Parent->isLandingPad()) {
5124             NewBB = SplitCriticalEdge(BB, Parent,
5125                                       CriticalEdgeSplittingOptions(&DT, &LI)
5126                                           .setMergeIdenticalEdges()
5127                                           .setDontDeleteUselessPHIs());
5128           } else {
5129             SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
5130             SplitLandingPadPredecessors(Parent, BB, "", "", NewBBs, &DT, &LI);
5131             NewBB = NewBBs[0];
5132           }
5133           // If NewBB==NULL, then SplitCriticalEdge refused to split because all
5134           // phi predecessors are identical. The simple thing to do is skip
5135           // splitting in this case rather than complicate the API.
5136           if (NewBB) {
5137             // If PN is outside of the loop and BB is in the loop, we want to
5138             // move the block to be immediately before the PHI block, not
5139             // immediately after BB.
5140             if (L->contains(BB) && !L->contains(PN))
5141               NewBB->moveBefore(PN->getParent());
5142
5143             // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
5144             e = PN->getNumIncomingValues();
5145             BB = NewBB;
5146             i = PN->getBasicBlockIndex(BB);
5147           }
5148         }
5149       }
5150
5151       std::pair<DenseMap<BasicBlock *, Value *>::iterator, bool> Pair =
5152         Inserted.insert(std::make_pair(BB, static_cast<Value *>(nullptr)));
5153       if (!Pair.second)
5154         PN->setIncomingValue(i, Pair.first->second);
5155       else {
5156         Value *FullV = Expand(LU, LF, F, BB->getTerminator()->getIterator(),
5157                               Rewriter, DeadInsts);
5158
5159         // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
5160         Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
5161         if (FullV->getType() != OpTy)
5162           FullV =
5163             CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false,
5164                                                      OpTy, false),
5165                              FullV, LF.OperandValToReplace->getType(),
5166                              "tmp", BB->getTerminator());
5167
5168         PN->setIncomingValue(i, FullV);
5169         Pair.first->second = FullV;
5170       }
5171     }
5172 }
5173
5174 /// Emit instructions for the leading candidate expression for this LSRUse (this
5175 /// is called "expanding"), and update the UserInst to reference the newly
5176 /// expanded value.
5177 void LSRInstance::Rewrite(const LSRUse &LU, const LSRFixup &LF,
5178                           const Formula &F, SCEVExpander &Rewriter,
5179                           SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &DeadInsts) const {
5180   // First, find an insertion point that dominates UserInst. For PHI nodes,
5181   // find the nearest block which dominates all the relevant uses.
5182   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(LF.UserInst)) {
5183     RewriteForPHI(PN, LU, LF, F, Rewriter, DeadInsts);
5184   } else {
5185     Value *FullV =
5186       Expand(LU, LF, F, LF.UserInst->getIterator(), Rewriter, DeadInsts);
5187
5188     // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
5189     Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
5190     if (FullV->getType() != OpTy) {
5191       Instruction *Cast =
5192         CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false, OpTy, false),
5193                          FullV, OpTy, "tmp", LF.UserInst);
5194       FullV = Cast;
5195     }
5196
5197     // Update the user. ICmpZero is handled specially here (for now) because
5198     // Expand may have updated one of the operands of the icmp already, and
5199     // its new value may happen to be equal to LF.OperandValToReplace, in
5200     // which case doing replaceUsesOfWith leads to replacing both operands
5201     // with the same value. TODO: Reorganize this.
5202     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero)
5203       LF.UserInst->setOperand(0, FullV);
5204     else
5205       LF.UserInst->replaceUsesOfWith(LF.OperandValToReplace, FullV);
5206   }
5207
5208   DeadInsts.emplace_back(LF.OperandValToReplace);
5209 }
5210
5211 /// Rewrite all the fixup locations with new values, following the chosen
5212 /// solution.
5213 void LSRInstance::ImplementSolution(
5214     const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) {
5215   // Keep track of instructions we may have made dead, so that
5216   // we can remove them after we are done working.
5217   SmallVector<WeakTrackingVH, 16> DeadInsts;
5218
5219   SCEVExpander Rewriter(SE, L->getHeader()->getModule()->getDataLayout(),
5220                         "lsr");
5221 #ifndef NDEBUG
5222   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
5223 #endif
5224   Rewriter.disableCanonicalMode();
5225   Rewriter.enableLSRMode();
5226   Rewriter.setIVIncInsertPos(L, IVIncInsertPos);
5227
5228   // Mark phi nodes that terminate chains so the expander tries to reuse them.
5229   for (const IVChain &Chain : IVChainVec) {
5230     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Chain.tailUserInst()))
5231       Rewriter.setChainedPhi(PN);
5232   }
5233
5234   // Expand the new value definitions and update the users.
5235   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx)
5236     for (const LSRFixup &Fixup : Uses[LUIdx].Fixups) {
5237       Rewrite(Uses[LUIdx], Fixup, *Solution[LUIdx], Rewriter, DeadInsts);
5238       Changed = true;
5239     }
5240
5241   for (const IVChain &Chain : IVChainVec) {
5242     GenerateIVChain(Chain, Rewriter, DeadInsts);
5243     Changed = true;
5244   }
5245   // Clean up after ourselves. This must be done before deleting any
5246   // instructions.
5247   Rewriter.clear();
5248
5249   Changed |= DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
5250 }
5251
5252 LSRInstance::LSRInstance(Loop *L, IVUsers &IU, ScalarEvolution &SE,
5253                          DominatorTree &DT, LoopInfo &LI,
5254                          const TargetTransformInfo &TTI)
5255     : IU(IU), SE(SE), DT(DT), LI(LI), TTI(TTI), L(L) {
5256   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble.
5257   if (!L->isLoopSimplifyForm())
5258     return;
5259
5260   // If there's no interesting work to be done, bail early.
5261   if (IU.empty()) return;
5262
5263   // If there's too much analysis to be done, bail early. We won't be able to
5264   // model the problem anyway.
5265   unsigned NumUsers = 0;
5266   for (const IVStrideUse &U : IU) {
5267     if (++NumUsers > MaxIVUsers) {
5268       (void)U;
5269       DEBUG(dbgs() << "LSR skipping loop, too many IV Users in " << U << "\n");
5270       return;
5271     }
5272     // Bail out if we have a PHI on an EHPad that gets a value from a
5273     // CatchSwitchInst.  Because the CatchSwitchInst cannot be split, there is
5274     // no good place to stick any instructions.
5275     if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(U.getUser())) {
5276        auto *FirstNonPHI = PN->getParent()->getFirstNonPHI();
5277        if (isa<FuncletPadInst>(FirstNonPHI) ||
5278            isa<CatchSwitchInst>(FirstNonPHI))
5279          for (BasicBlock *PredBB : PN->blocks())
5280            if (isa<CatchSwitchInst>(PredBB->getFirstNonPHI()))
5281              return;
5282     }
5283   }
5284
5285 #ifndef NDEBUG
5286   // All dominating loops must have preheaders, or SCEVExpander may not be able
5287   // to materialize an AddRecExpr whose Start is an outer AddRecExpr.
5288   //
5289   // IVUsers analysis should only create users that are dominated by simple loop
5290   // headers. Since this loop should dominate all of its users, its user list
5291   // should be empty if this loop itself is not within a simple loop nest.
5292   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopPreheader());
5293        Rung; Rung = Rung->getIDom()) {
5294     BasicBlock *BB = Rung->getBlock();
5295     const Loop *DomLoop = LI.getLoopFor(BB);
5296     if (DomLoop && DomLoop->getHeader() == BB) {
5297       assert(DomLoop->getLoopPreheader() && "LSR needs a simplified loop nest");
5298     }
5299   }
5300 #endif // DEBUG
5301
5302   DEBUG(dbgs() << "\nLSR on loop ";
5303         L->getHeader()->printAsOperand(dbgs(), /*PrintType=*/false);
5304         dbgs() << ":\n");
5305
5306   // First, perform some low-level loop optimizations.
5307   OptimizeShadowIV();
5308   OptimizeLoopTermCond();
5309
5310   // If loop preparation eliminates all interesting IV users, bail.
5311   if (IU.empty()) return;
5312
5313   // Skip nested loops until we can model them better with formulae.
5314   if (!L->empty()) {
5315     DEBUG(dbgs() << "LSR skipping outer loop " << *L << "\n");
5316     return;
5317   }
5318
5319   // Start collecting data and preparing for the solver.
5320   CollectChains();
5321   CollectInterestingTypesAndFactors();
5322   CollectFixupsAndInitialFormulae();
5323   CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
5324
5325   assert(!Uses.empty() && "IVUsers reported at least one use");
5326   DEBUG(dbgs() << "LSR found " << Uses.size() << " uses:\n";
5327         print_uses(dbgs()));
5328
5329   // Now use the reuse data to generate a bunch of interesting ways
5330   // to formulate the values needed for the uses.
5331   GenerateAllReuseFormulae();
5332
5333   FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
5334   NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
5335
5336   SmallVector<const Formula *, 8> Solution;
5337   Solve(Solution);
5338
5339   // Release memory that is no longer needed.
5340   Factors.clear();
5341   Types.clear();
5342   RegUses.clear();
5343
5344   if (Solution.empty())
5345     return;
5346
5347 #ifndef NDEBUG
5348   // Formulae should be legal.
5349   for (const LSRUse &LU : Uses) {
5350     for (const Formula &F : LU.Formulae)
5351       assert(isLegalUse(TTI, LU.MinOffset, LU.MaxOffset, LU.Kind, LU.AccessTy,
5352                         F) && "Illegal formula generated!");
5353   };
5354 #endif
5355
5356   // Now that we've decided what we want, make it so.
5357   ImplementSolution(Solution);
5358 }
5359
5360 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
5361 void LSRInstance::print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const {
5362   if (Factors.empty() && Types.empty()) return;
5363
5364   OS << "LSR has identified the following interesting factors and types: ";
5365   bool First = true;
5366
5367   for (int64_t Factor : Factors) {
5368     if (!First) OS << ", ";
5369     First = false;
5370     OS << '*' << Factor;
5371   }
5372
5373   for (Type *Ty : Types) {
5374     if (!First) OS << ", ";
5375     First = false;
5376     OS << '(' << *Ty << ')';
5377   }
5378   OS << '\n';
5379 }
5380
5381 void LSRInstance::print_fixups(raw_ostream &OS) const {
5382   OS << "LSR is examining the following fixup sites:\n";
5383   for (const LSRUse &LU : Uses)
5384     for (const LSRFixup &LF : LU.Fixups) {
5385       dbgs() << "  ";
5386       LF.print(OS);
5387       OS << '\n';
5388     }
5389 }
5390
5391 void LSRInstance::print_uses(raw_ostream &OS) const {
5392   OS << "LSR is examining the following uses:\n";
5393   for (const LSRUse &LU : Uses) {
5394     dbgs() << "  ";
5395     LU.print(OS);
5396     OS << '\n';
5397     for (const Formula &F : LU.Formulae) {
5398       OS << "    ";
5399       F.print(OS);
5400       OS << '\n';
5401     }
5402   }
5403 }
5404
5405 void LSRInstance::print(raw_ostream &OS) const {
5406   print_factors_and_types(OS);
5407   print_fixups(OS);
5408   print_uses(OS);
5409 }
5410
5411 LLVM_DUMP_METHOD void LSRInstance::dump() const {
5412   print(errs()); errs() << '\n';
5413 }
5414 #endif
5415
5416 namespace {
5417
5418 class LoopStrengthReduce : public LoopPass {
5419 public:
5420   static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
5421
5422   LoopStrengthReduce();
5423
5424 private:
5425   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
5426   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
5427 };
5428
5429 } // end anonymous namespace
5430
5431 LoopStrengthReduce::LoopStrengthReduce() : LoopPass(ID) {
5432   initializeLoopStrengthReducePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
5433 }
5434
5435 void LoopStrengthReduce::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
5436   // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
5437   // many analyses if they are around.
5438   AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
5439
5440   AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
5441   AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
5442   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
5443   AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
5444   AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
5445   AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
5446   AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
5447   // Requiring LoopSimplify a second time here prevents IVUsers from running
5448   // twice, since LoopSimplify was invalidated by running ScalarEvolution.
5449   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
5450   AU.addRequired<IVUsersWrapperPass>();
5451   AU.addPreserved<IVUsersWrapperPass>();
5452   AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
5453 }
5454
5455 static bool ReduceLoopStrength(Loop *L, IVUsers &IU, ScalarEvolution &SE,
5456                                DominatorTree &DT, LoopInfo &LI,
5457                                const TargetTransformInfo &TTI) {
5458   bool Changed = false;
5459
5460   // Run the main LSR transformation.
5461   Changed |= LSRInstance(L, IU, SE, DT, LI, TTI).getChanged();
5462
5463   // Remove any extra phis created by processing inner loops.
5464   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
5465   if (EnablePhiElim && L->isLoopSimplifyForm()) {
5466     SmallVector<WeakTrackingVH, 16> DeadInsts;
5467     const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
5468     SCEVExpander Rewriter(SE, DL, "lsr");
5469 #ifndef NDEBUG
5470     Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
5471 #endif
5472     unsigned numFolded = Rewriter.replaceCongruentIVs(L, &DT, DeadInsts, &TTI);
5473     if (numFolded) {
5474       Changed = true;
5475       DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
5476       DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
5477     }
5478   }
5479   return Changed;
5480 }
5481
5482 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager & /*LPM*/) {
5483   if (skipLoop(L))
5484     return false;
5485
5486   auto &IU = getAnalysis<IVUsersWrapperPass>().getIU();
5487   auto &SE = getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
5488   auto &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
5489   auto &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
5490   const auto &TTI = getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
5491       *L->getHeader()->getParent());
5492   return ReduceLoopStrength(L, IU, SE, DT, LI, TTI);
5493 }
5494
5495 PreservedAnalyses LoopStrengthReducePass::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM,
5496                                               LoopStandardAnalysisResults &AR,
5497                                               LPMUpdater &) {
5498   if (!ReduceLoopStrength(&L, AM.getResult<IVUsersAnalysis>(L, AR), AR.SE,
5499                           AR.DT, AR.LI, AR.TTI))
5500     return PreservedAnalyses::all();
5501
5502   return getLoopPassPreservedAnalyses();
5503 }
5504
5505 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
5506
5507 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
5508                       "Loop Strength Reduction", false, false)
5509 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
5510 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
5511 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
5512 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsersWrapperPass)
5513 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
5514 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
5515 INITIALIZE_PASS_END(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
5516                     "Loop Strength Reduction", false, false)
5517
5518 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass() { return new LoopStrengthReduce(); }