]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/Reassociate.cpp
Merge clang 7.0.1 and several follow-up changes
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #include "llvm/Transforms/Scalar/Reassociate.h"
24 #include "llvm/ADT/APFloat.h"
25 #include "llvm/ADT/APInt.h"
26 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
27 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
28 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
31 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
32 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
33 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
34 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
35 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
36 #include "llvm/IR/Argument.h"
37 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
38 #include "llvm/IR/CFG.h"
39 #include "llvm/IR/Constant.h"
40 #include "llvm/IR/Constants.h"
41 #include "llvm/IR/Function.h"
42 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
43 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
44 #include "llvm/IR/Instruction.h"
45 #include "llvm/IR/Instructions.h"
46 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/IR/Operator.h"
48 #include "llvm/IR/PassManager.h"
49 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
50 #include "llvm/IR/Type.h"
51 #include "llvm/IR/User.h"
52 #include "llvm/IR/Value.h"
53 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
54 #include "llvm/Pass.h"
55 #include "llvm/Support/Casting.h"
56 #include "llvm/Support/Debug.h"
57 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
58 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
59 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
60 #include <algorithm>
61 #include <cassert>
62 #include <utility>
63
64 using namespace llvm;
65 using namespace reassociate;
66
67 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
68
69 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
70 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
71 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
72
73 #ifndef NDEBUG
74 /// Print out the expression identified in the Ops list.
75 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
76   Module *M = I->getModule();
77   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
78        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
79   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
80     dbgs() << "[ ";
81     Ops[i].Op->printAsOperand(dbgs(), false, M);
82     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
83   }
84 }
85 #endif
86
87 /// Utility class representing a non-constant Xor-operand. We classify
88 /// non-constant Xor-Operands into two categories:
89 ///  C1) The operand is in the form "X & C", where C is a constant and C != ~0
90 ///  C2)
91 ///    C2.1) The operand is in the form of "X | C", where C is a non-zero
92 ///          constant.
93 ///    C2.2) Any operand E which doesn't fall into C1 and C2.1, we view this
94 ///          operand as "E | 0"
95 class llvm::reassociate::XorOpnd {
96 public:
97   XorOpnd(Value *V);
98
99   bool isInvalid() const { return SymbolicPart == nullptr; }
100   bool isOrExpr() const { return isOr; }
101   Value *getValue() const { return OrigVal; }
102   Value *getSymbolicPart() const { return SymbolicPart; }
103   unsigned getSymbolicRank() const { return SymbolicRank; }
104   const APInt &getConstPart() const { return ConstPart; }
105
106   void Invalidate() { SymbolicPart = OrigVal = nullptr; }
107   void setSymbolicRank(unsigned R) { SymbolicRank = R; }
108
109 private:
110   Value *OrigVal;
111   Value *SymbolicPart;
112   APInt ConstPart;
113   unsigned SymbolicRank;
114   bool isOr;
115 };
116
117 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
118   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
119   OrigVal = V;
120   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
121   SymbolicRank = 0;
122
123   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
124             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
125     Value *V0 = I->getOperand(0);
126     Value *V1 = I->getOperand(1);
127     const APInt *C;
128     if (match(V0, PatternMatch::m_APInt(C)))
129       std::swap(V0, V1);
130
131     if (match(V1, PatternMatch::m_APInt(C))) {
132       ConstPart = *C;
133       SymbolicPart = V0;
134       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
135       return;
136     }
137   }
138
139   // view the operand as "V | 0"
140   SymbolicPart = V;
141   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getScalarSizeInBits());
142   isOr = true;
143 }
144
145 /// Return true if V is an instruction of the specified opcode and if it
146 /// only has one use.
147 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
148   auto *I = dyn_cast<Instruction>(V);
149   if (I && I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Opcode)
150     if (!isa<FPMathOperator>(I) || I->isFast())
151       return cast<BinaryOperator>(I);
152   return nullptr;
153 }
154
155 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
156                                         unsigned Opcode2) {
157   auto *I = dyn_cast<Instruction>(V);
158   if (I && I->hasOneUse() &&
159       (I->getOpcode() == Opcode1 || I->getOpcode() == Opcode2))
160     if (!isa<FPMathOperator>(I) || I->isFast())
161       return cast<BinaryOperator>(I);
162   return nullptr;
163 }
164
165 void ReassociatePass::BuildRankMap(Function &F,
166                                    ReversePostOrderTraversal<Function*> &RPOT) {
167   unsigned Rank = 2;
168
169   // Assign distinct ranks to function arguments.
170   for (auto &Arg : F.args()) {
171     ValueRankMap[&Arg] = ++Rank;
172     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << Arg.getName() << "] = " << Rank
173                       << "\n");
174   }
175
176   // Traverse basic blocks in ReversePostOrder
177   for (BasicBlock *BB : RPOT) {
178     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++Rank << 16;
179
180     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
181     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
182     // all different in the block.
183     for (Instruction &I : *BB)
184       if (mayBeMemoryDependent(I))
185         ValueRankMap[&I] = ++BBRank;
186   }
187 }
188
189 unsigned ReassociatePass::getRank(Value *V) {
190   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
191   if (!I) {
192     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
193     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
194   }
195
196   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
197     return Rank;    // Rank already known?
198
199   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
200   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
201   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
202   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
203   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
204   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e && Rank != MaxRank; ++i)
205     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
206
207   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
208   // assures us that X and ~X will have the same rank.
209   if (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
210       !BinaryOperator::isFNeg(I))
211     ++Rank;
212
213   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank
214                     << "\n");
215
216   return ValueRankMap[I] = Rank;
217 }
218
219 // Canonicalize constants to RHS.  Otherwise, sort the operands by rank.
220 void ReassociatePass::canonicalizeOperands(Instruction *I) {
221   assert(isa<BinaryOperator>(I) && "Expected binary operator.");
222   assert(I->isCommutative() && "Expected commutative operator.");
223
224   Value *LHS = I->getOperand(0);
225   Value *RHS = I->getOperand(1);
226   if (LHS == RHS || isa<Constant>(RHS))
227     return;
228   if (isa<Constant>(LHS) || getRank(RHS) < getRank(LHS))
229     cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
230 }
231
232 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
233                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
234   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
235     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
236   else {
237     BinaryOperator *Res =
238         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
239     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
240     return Res;
241   }
242 }
243
244 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
245                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
246   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
247     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
248   else {
249     BinaryOperator *Res =
250       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
251     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
252     return Res;
253   }
254 }
255
256 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
257                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
258   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
259     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
260   else {
261     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
262     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
263     return Res;
264   }
265 }
266
267 /// Replace 0-X with X*-1.
268 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
269   Type *Ty = Neg->getType();
270   Constant *NegOne = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
271     ConstantInt::getAllOnesValue(Ty) : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
272
273   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
274   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
275   Res->takeName(Neg);
276   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
277   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
278   return Res;
279 }
280
281 /// Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda is the Carmichael
282 /// function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
283 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
284 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
285 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
286 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
287   if (Bitwidth < 3)
288     return Bitwidth - 1;
289   return Bitwidth - 2;
290 }
291
292 /// Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
293 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
294 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
295 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
296 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
297 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
298 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
299 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
300   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
301   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
302   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
303   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
304   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
305   // weight back into range if wrapping would be wrong.
306
307   // If RHS is zero then the weight didn't change.
308   if (RHS.isMinValue())
309     return;
310   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
311   if (LHS.isMinValue()) {
312     LHS = RHS;
313     return;
314   }
315   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
316
317   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
318     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
319     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
320     // not a problem.
321     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
322     return; // Return a weight of 1.
323   }
324   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
325     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
326     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
327     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
328     return;
329   }
330   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
331     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
332     LHS += RHS;
333     return;
334   }
335
336   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
337          "Unknown associative operation!");
338   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
339   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
340   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
341   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
342   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
343   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
344   // which by a happy accident means that they can always be represented using
345   // Bitwidth bits.
346   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
347   // the Carmichael number).
348   if (Bitwidth > 3) {
349     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
350     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
351     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
352     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
353     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
354     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
355     LHS += RHS;
356     while (LHS.uge(Threshold))
357       LHS -= CM;
358   } else {
359     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
360     // a larger type.
361     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
362     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
363     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
364            "Weights not reduced!");
365     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
366     while (Total >= Threshold)
367       Total -= CM;
368     LHS = Total;
369   }
370 }
371
372 using RepeatedValue = std::pair<Value*, APInt>;
373
374 /// Given an associative binary expression, return the leaf
375 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
376 /// original expression is the same as
377 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
378 /// op
379 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
380 /// op
381 ///   ...
382 /// op
383 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
384 ///
385 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
386 ///
387 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
388 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
389 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
390 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
391 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
392 ///
393 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
394 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
395 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
396 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
397 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
398 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
399 /// use is a non-leaf node of the expression.
400 ///
401 /// For example:
402 ///           expression graph        node names
403 ///
404 ///                     +        |        I
405 ///                    / \       |
406 ///                   +   +      |      A,  B
407 ///                  / \ / \     |
408 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
409 ///                / \ / \ / \   |
410 ///                   +   *      |      F,  G
411 ///
412 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
413 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
414 ///
415 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
416 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
417 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
418 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
419 ///
420 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
421 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
422 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
423 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
424 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
425 /// made a change by returning 'true'.
426 ///
427 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
428 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
429 ///
430 ///                     +        |        I
431 ///                    / \       |
432 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
433 ///                  / \   \     |
434 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
435 ///                / \ / \ / \   |
436 ///                   +   *      |      F,  G
437 ///
438 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
439 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
440 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
441 /// which requires passing through a phi node.
442 ///
443 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
444 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
445 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
446 /// type and thus make the expression bigger.
447 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
448                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
449   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
450   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
451   unsigned Opcode = I->getOpcode();
452   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
453          "Expected an associative and commutative operation!");
454
455   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
456   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
457   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
458   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
459   // while A has weight two.
460
461   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
462   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
463   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
464   // ways to get to it.
465   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
466   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
467   bool Changed = false;
468
469   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
470   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
471   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
472   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
473   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
474   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
475   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
476   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
477   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
478   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
479   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
480   // are explored.
481
482   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
483   // paths to each leaf seen so far.
484   using LeafMap = DenseMap<Value *, APInt>;
485   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
486   SmallVector<Value *, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
487
488 #ifndef NDEBUG
489   SmallPtrSet<Value *, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
490 #endif
491   while (!Worklist.empty()) {
492     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
493     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
494
495     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
496       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
497       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
498       LLVM_DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
499       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
500
501       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
502       // add its operands to the expression.
503       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
504         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
505         LLVM_DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
506         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
507         continue;
508       }
509
510       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
511       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
512       if (It == Leaves.end()) {
513         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
514         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
515         if (!Op->hasOneUse()) {
516           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
517           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
518           LLVM_DEBUG(dbgs()
519                      << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
520           LeafOrder.push_back(Op);
521           Leaves[Op] = Weight;
522           continue;
523         }
524         // No uses outside the expression, try morphing it.
525       } else {
526         // Already in the leaf map.
527         assert(It != Leaves.end() && Visited.count(Op) &&
528                "In leaf map but not visited!");
529
530         // Update the number of paths to the leaf.
531         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
532
533 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
534         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
535         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
536         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
537         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
538         Changed = true;
539
540         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
541         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
542         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
543         // its operands to the expression.
544         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
545           LLVM_DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
546           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
547           Leaves.erase(It);
548           continue;
549         }
550 #endif
551
552         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
553         // then it is not safe to modify the value.
554         if (!Op->hasOneUse())
555           continue;
556
557         // No uses outside the expression, try morphing it.
558         Weight = It->second;
559         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
560       }
561
562       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
563       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
564       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
565       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
566       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
567               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
568               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
569                   !cast<Instruction>(Op)->isFast())) &&
570              "Should have been handled above!");
571       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
572
573       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
574       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
575       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
576         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
577             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
578           LLVM_DEBUG(dbgs()
579                      << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
580           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
581           LLVM_DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
582           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
583           Changed = true;
584           continue;
585         }
586
587       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
588       // a leaf.
589       LLVM_DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
590       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
591       LeafOrder.push_back(Op);
592       Leaves[Op] = Weight;
593     }
594   }
595
596   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
597   // form of the expression.
598   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
599     Value *V = LeafOrder[i];
600     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
601     if (It == Leaves.end())
602       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
603       continue;
604     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
605     APInt Weight = It->second;
606     if (Weight.isMinValue())
607       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
608       continue;
609     // Ensure the leaf is only output once.
610     It->second = 0;
611     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
612   }
613
614   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
615   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
616   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
617   if (Ops.empty()) {
618     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
619     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
620     Ops.emplace_back(Identity, APInt(Bitwidth, 1));
621   }
622
623   return Changed;
624 }
625
626 /// Now that the operands for this expression tree are
627 /// linearized and optimized, emit them in-order.
628 void ReassociatePass::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
629                                       SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
630   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
631
632   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
633   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
634   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
635   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
636   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
637   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
638   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
639   // nsw flags.
640
641   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
642   /// the new expression into.
643   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
644   unsigned Opcode = I->getOpcode();
645   BinaryOperator *Op = I;
646
647   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
648   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
649   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
650   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
651   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
652   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
653   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
654   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
655   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
656   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
657   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
658   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
659     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
660
661   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
662   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
663   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
664   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
665   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
666     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
667     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
668     // a subexpression.
669     if (i+2 == Ops.size()) {
670       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
671       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
672       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
673       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
674
675       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
676         // Nothing changed, leave it alone.
677         break;
678
679       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
680         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
681         LLVM_DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
682         Op->swapOperands();
683         LLVM_DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
684         MadeChange = true;
685         ++NumChanged;
686         break;
687       }
688
689       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
690       // the old operands with the new ones.
691       LLVM_DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
692       if (NewLHS != OldLHS) {
693         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
694         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
695           NodesToRewrite.push_back(BO);
696         Op->setOperand(0, NewLHS);
697       }
698       if (NewRHS != OldRHS) {
699         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
700         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
701           NodesToRewrite.push_back(BO);
702         Op->setOperand(1, NewRHS);
703       }
704       LLVM_DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
705
706       ExpressionChanged = Op;
707       MadeChange = true;
708       ++NumChanged;
709
710       break;
711     }
712
713     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
714     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
715     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
716     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
717       LLVM_DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
718       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
719         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
720         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
721         Op->swapOperands();
722       } else {
723         // Overwrite with the new right-hand side.
724         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
725         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
726           NodesToRewrite.push_back(BO);
727         Op->setOperand(1, NewRHS);
728         ExpressionChanged = Op;
729       }
730       LLVM_DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
731       MadeChange = true;
732       ++NumChanged;
733     }
734
735     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
736     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
737     // into it.
738     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
739     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
740       Op = BO;
741       continue;
742     }
743
744     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
745     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
746     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
747     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
748     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
749     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
750     // stupid, create a new node if there are none left.
751     BinaryOperator *NewOp;
752     if (NodesToRewrite.empty()) {
753       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
754       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
755                                      Undef, Undef, "", I);
756       if (NewOp->getType()->isFPOrFPVectorTy())
757         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
758     } else {
759       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
760     }
761
762     LLVM_DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
763     Op->setOperand(0, NewOp);
764     LLVM_DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
765     ExpressionChanged = Op;
766     MadeChange = true;
767     ++NumChanged;
768     Op = NewOp;
769   }
770
771   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
772   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
773   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
774   // expression tree is dominated by all of Ops.
775   if (ExpressionChanged)
776     do {
777       // Preserve FastMathFlags.
778       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
779         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
780         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
781         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
782       } else
783         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
784
785       if (ExpressionChanged == I)
786         break;
787
788       // Discard any debug info related to the expressions that has changed (we
789       // can leave debug infor related to the root, since the result of the
790       // expression tree should be the same even after reassociation).
791       SmallVector<DbgInfoIntrinsic *, 1> DbgUsers;
792       findDbgUsers(DbgUsers, ExpressionChanged);
793       for (auto *DII : DbgUsers) {
794         Value *Undef = UndefValue::get(ExpressionChanged->getType());
795         DII->setOperand(0, MetadataAsValue::get(DII->getContext(),
796                                                 ValueAsMetadata::get(Undef)));
797       }
798
799       ExpressionChanged->moveBefore(I);
800       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
801     } while (true);
802
803   // Throw away any left over nodes from the original expression.
804   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
805     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
806 }
807
808 /// Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
809 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
810 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
811 /// that should be processed next by the reassociation pass.
812 /// Also add intermediate instructions to the redo list that are modified while
813 /// pushing the negates through adds.  These will be revisited to see if
814 /// additional opportunities have been exposed.
815 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI,
816                           ReassociatePass::OrderedSet &ToRedo) {
817   if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V))
818     return C->getType()->isFPOrFPVectorTy() ? ConstantExpr::getFNeg(C) :
819                                               ConstantExpr::getNeg(C);
820
821   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
822   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
823   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
824   // this means that we turn this:
825   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
826   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
827   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
828   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
829   //
830   if (BinaryOperator *I =
831           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
832     // Push the negates through the add.
833     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI, ToRedo));
834     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI, ToRedo));
835     if (I->getOpcode() == Instruction::Add) {
836       I->setHasNoUnsignedWrap(false);
837       I->setHasNoSignedWrap(false);
838     }
839
840     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
841     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
842     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
843     // instruction we are about to insert after them.
844     //
845     I->moveBefore(BI);
846     I->setName(I->getName()+".neg");
847
848     // Add the intermediate negates to the redo list as processing them later
849     // could expose more reassociating opportunities.
850     ToRedo.insert(I);
851     return I;
852   }
853
854   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
855   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
856   for (User *U : V->users()) {
857     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
858       continue;
859
860     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
861     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
862     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
863     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
864     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
865
866     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
867     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
868       continue;
869
870     BasicBlock::iterator InsertPt;
871     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
872       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
873         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
874       } else {
875         InsertPt = ++InstInput->getIterator();
876       }
877       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
878     } else {
879       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
880     }
881     TheNeg->moveBefore(&*InsertPt);
882     if (TheNeg->getOpcode() == Instruction::Sub) {
883       TheNeg->setHasNoUnsignedWrap(false);
884       TheNeg->setHasNoSignedWrap(false);
885     } else {
886       TheNeg->andIRFlags(BI);
887     }
888     ToRedo.insert(TheNeg);
889     return TheNeg;
890   }
891
892   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
893   // negation.
894   BinaryOperator *NewNeg = CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
895   ToRedo.insert(NewNeg);
896   return NewNeg;
897 }
898
899 /// Return true if we should break up this subtract of X-Y into (X + -Y).
900 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
901   // If this is a negation, we can't split it up!
902   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
903     return false;
904
905   // Don't breakup X - undef.
906   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
907     return false;
908
909   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
910   // subtract or if this is only used by one.
911   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
912   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
913       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
914     return true;
915   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
916   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
917       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
918     return true;
919   Value *VB = Sub->user_back();
920   if (Sub->hasOneUse() &&
921       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
922        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
923     return true;
924
925   return false;
926 }
927
928 /// If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is only used by an
929 /// add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better reassociation.
930 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
931                                        ReassociatePass::OrderedSet &ToRedo) {
932   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
933   // instructions to be commuted with other add instructions.
934   //
935   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
936   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
937   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub, ToRedo);
938   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
939   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
940   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
941   New->takeName(Sub);
942
943   // Everyone now refers to the add instruction.
944   Sub->replaceAllUsesWith(New);
945   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
946
947   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
948   return New;
949 }
950
951 /// If this is a shift of a reassociable multiply or is used by one, change
952 /// this into a multiply by a constant to assist with further reassociation.
953 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
954   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
955   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
956
957   BinaryOperator *Mul =
958     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
959   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
960   Mul->takeName(Shl);
961
962   // Everyone now refers to the mul instruction.
963   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
964   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
965
966   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
967   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
968   // handling.
969   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
970   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
971   if (NSW && NUW)
972     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
973   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
974   return Mul;
975 }
976
977 /// Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i
978 /// to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This is useful when
979 /// scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the same rank.
980 static unsigned FindInOperandList(const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
981                                   unsigned i, Value *X) {
982   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
983   unsigned e = Ops.size();
984   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
985     if (Ops[j].Op == X)
986       return j;
987     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
988       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
989         if (I1->isIdenticalTo(I2))
990           return j;
991   }
992   // Scan backwards.
993   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
994     if (Ops[j].Op == X)
995       return j;
996     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
997       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
998         if (I1->isIdenticalTo(I2))
999           return j;
1000   }
1001   return i;
1002 }
1003
1004 /// Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1005 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1006 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1007                                   SmallVectorImpl<WeakTrackingVH> &Ops) {
1008   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1009
1010   Value *V1 = Ops.back();
1011   Ops.pop_back();
1012   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1013   return CreateAdd(V2, V1, "reass.add", I, I);
1014 }
1015
1016 /// If V is an expression tree that is a multiplication sequence,
1017 /// and if this sequence contains a multiply by Factor,
1018 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1019 Value *ReassociatePass::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1020   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1021   if (!BO)
1022     return nullptr;
1023
1024   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1025   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1026   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1027   Factors.reserve(Tree.size());
1028   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1029     RepeatedValue E = Tree[i];
1030     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1031                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1032   }
1033
1034   bool FoundFactor = false;
1035   bool NeedsNegate = false;
1036   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1037     if (Factors[i].Op == Factor) {
1038       FoundFactor = true;
1039       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1040       break;
1041     }
1042
1043     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1044     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1045       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1046         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1047           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1048           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1049           break;
1050         }
1051     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1052       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1053         const APFloat &F1 = FC1->getValueAPF();
1054         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1055         F2.changeSign();
1056         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1057           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1058           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1059           break;
1060         }
1061       }
1062     }
1063   }
1064
1065   if (!FoundFactor) {
1066     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1067     RewriteExprTree(BO, Factors);
1068     return nullptr;
1069   }
1070
1071   BasicBlock::iterator InsertPt = ++BO->getIterator();
1072
1073   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1074   // remaining operand.
1075   if (Factors.size() == 1) {
1076     RedoInsts.insert(BO);
1077     V = Factors[0].Op;
1078   } else {
1079     RewriteExprTree(BO, Factors);
1080     V = BO;
1081   }
1082
1083   if (NeedsNegate)
1084     V = CreateNeg(V, "neg", &*InsertPt, BO);
1085
1086   return V;
1087 }
1088
1089 /// If V is a single-use multiply, recursively add its operands as factors,
1090 /// otherwise add V to the list of factors.
1091 ///
1092 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1093 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1094                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors) {
1095   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1096   if (!BO) {
1097     Factors.push_back(V);
1098     return;
1099   }
1100
1101   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1102   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors);
1103   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors);
1104 }
1105
1106 /// Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor' instruction.
1107 /// This optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value,
1108 /// it is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1109 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1110                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1111   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1112   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1113   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1114     // First, check for X and ~X in the operand list.
1115     assert(i < Ops.size());
1116     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1117       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1118       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1119       if (FoundX != i) {
1120         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1121           return Constant::getNullValue(X->getType());
1122
1123         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1124           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1125       }
1126     }
1127
1128     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1129     // each other, due to our sorting criteria.
1130     assert(i < Ops.size());
1131     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1132       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1133         // Drop duplicate values for And and Or.
1134         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1135         --i; --e;
1136         ++NumAnnihil;
1137         continue;
1138       }
1139
1140       // Drop pairs of values for Xor.
1141       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1142       if (e == 2)
1143         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1144
1145       // Y ^ X^X -> Y
1146       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1147       i -= 1; e -= 2;
1148       ++NumAnnihil;
1149     }
1150   }
1151   return nullptr;
1152 }
1153
1154 /// Helper function of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1155 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1156 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1157 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1158 /// be returned.
1159 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd,
1160                              const APInt &ConstOpnd) {
1161   if (ConstOpnd.isNullValue())
1162     return nullptr;
1163
1164   if (ConstOpnd.isAllOnesValue())
1165     return Opnd;
1166
1167   Instruction *I = BinaryOperator::CreateAnd(
1168       Opnd, ConstantInt::get(Opnd->getType(), ConstOpnd), "and.ra",
1169       InsertBefore);
1170   I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1171   return I;
1172 }
1173
1174 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1175 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1176 //
1177 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1178 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1179 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1180 bool ReassociatePass::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1181                                      APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1182   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2
1183   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1184   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1185   // It is useful only when c1 == c2.
1186   if (!Opnd1->isOrExpr() || Opnd1->getConstPart().isNullValue())
1187     return false;
1188
1189   if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1190     return false;
1191
1192   const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1193   if (C1 != ConstOpnd)
1194     return false;
1195
1196   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1197   Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1198   // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1199   ConstOpnd ^= C1;
1200
1201   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1202     RedoInsts.insert(T);
1203   return true;
1204 }
1205
1206 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1207 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1208 // symbolic value.
1209 //
1210 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1211 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1212 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1213 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1214 bool ReassociatePass::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1215                                      XorOpnd *Opnd2, APInt &ConstOpnd,
1216                                      Value *&Res) {
1217   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1218   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1219     return false;
1220
1221   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1222   int DeadInstNum = 1;
1223   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1224     DeadInstNum++;
1225   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1226     DeadInstNum++;
1227
1228   // Xor-Rule 2:
1229   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1230   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1231   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1232   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1233   //
1234   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1235     if (Opnd2->isOrExpr())
1236       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1237
1238     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1239     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1240     APInt C3((~C1) ^ C2);
1241
1242     // Do not increase code size!
1243     if (!C3.isNullValue() && !C3.isAllOnesValue()) {
1244       int NewInstNum = ConstOpnd.getBoolValue() ? 1 : 2;
1245       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1246         return false;
1247     }
1248
1249     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1250     ConstOpnd ^= C1;
1251   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1252     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1253     //
1254     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1255     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1256     APInt C3 = C1 ^ C2;
1257
1258     // Do not increase code size
1259     if (!C3.isNullValue() && !C3.isAllOnesValue()) {
1260       int NewInstNum = ConstOpnd.getBoolValue() ? 1 : 2;
1261       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1262         return false;
1263     }
1264
1265     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1266     ConstOpnd ^= C3;
1267   } else {
1268     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1269     //
1270     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1271     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1272     APInt C3 = C1 ^ C2;
1273     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1274   }
1275
1276   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1277   // as dead code.
1278   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1279     RedoInsts.insert(T);
1280   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1281     RedoInsts.insert(T);
1282
1283   return true;
1284 }
1285
1286 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1287 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1288 /// necessary.
1289 Value *ReassociatePass::OptimizeXor(Instruction *I,
1290                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1291   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1292     return V;
1293
1294   if (Ops.size() == 1)
1295     return nullptr;
1296
1297   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1298   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1299   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1300   APInt ConstOpnd(Ty->getScalarSizeInBits(), 0);
1301
1302   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1303   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1304     Value *V = Ops[i].Op;
1305     const APInt *C;
1306     // TODO: Support non-splat vectors.
1307     if (match(V, PatternMatch::m_APInt(C))) {
1308       ConstOpnd ^= *C;
1309     } else {
1310       XorOpnd O(V);
1311       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1312       Opnds.push_back(O);
1313     }
1314   }
1315
1316   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1317   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1318   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1319   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1320   //  when new elements are added to the vector.
1321   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1322     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1323
1324   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1325   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1326   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1327   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1328   //
1329   //  The purpose is twofold:
1330   //  1) Cluster together the operands sharing the same symbolic-value.
1331   //  2) Operand having smaller symbolic-value-rank is permuted earlier, which
1332   //     could potentially shorten crital path, and expose more loop-invariants.
1333   //     Note that values' rank are basically defined in RPO order (FIXME).
1334   //     So, if Rank(X) < Rank(Y) < Rank(Z), it means X is defined earlier
1335   //     than Y which is defined earlier than Z. Permute "x | 1", "Y & 2",
1336   //     "z" in the order of X-Y-Z is better than any other orders.
1337   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(),
1338                    [](XorOpnd *LHS, XorOpnd *RHS) {
1339     return LHS->getSymbolicRank() < RHS->getSymbolicRank();
1340   });
1341
1342   // Step 3: Combine adjacent operands
1343   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1344   bool Changed = false;
1345   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1346     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1347     // The combined value
1348     Value *CV;
1349
1350     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1351     if (!ConstOpnd.isNullValue() &&
1352         CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1353       Changed = true;
1354       if (CV)
1355         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1356       else {
1357         CurrOpnd->Invalidate();
1358         continue;
1359       }
1360     }
1361
1362     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1363       PrevOpnd = CurrOpnd;
1364       continue;
1365     }
1366
1367     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1368     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1369     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1370       // Remove previous operand
1371       PrevOpnd->Invalidate();
1372       if (CV) {
1373         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1374         PrevOpnd = CurrOpnd;
1375       } else {
1376         CurrOpnd->Invalidate();
1377         PrevOpnd = nullptr;
1378       }
1379       Changed = true;
1380     }
1381   }
1382
1383   // Step 4: Reassemble the Ops
1384   if (Changed) {
1385     Ops.clear();
1386     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1387       XorOpnd &O = Opnds[i];
1388       if (O.isInvalid())
1389         continue;
1390       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1391       Ops.push_back(VE);
1392     }
1393     if (!ConstOpnd.isNullValue()) {
1394       Value *C = ConstantInt::get(Ty, ConstOpnd);
1395       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1396       Ops.push_back(VE);
1397     }
1398     unsigned Sz = Ops.size();
1399     if (Sz == 1)
1400       return Ops.back().Op;
1401     if (Sz == 0) {
1402       assert(ConstOpnd.isNullValue());
1403       return ConstantInt::get(Ty, ConstOpnd);
1404     }
1405   }
1406
1407   return nullptr;
1408 }
1409
1410 /// Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1411 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1412 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1413 Value *ReassociatePass::OptimizeAdd(Instruction *I,
1414                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1415   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1416   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1417   // scan for any
1418   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1419
1420   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1421     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1422     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1423     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1424     // that these need to be next to each other in the vector.
1425     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1426       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1427       unsigned NumFound = 0;
1428       do {
1429         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1430         ++NumFound;
1431       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1432
1433       LLVM_DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp
1434                         << '\n');
1435       ++NumFactor;
1436
1437       // Insert a new multiply.
1438       Type *Ty = TheOp->getType();
1439       Constant *C = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
1440         ConstantInt::get(Ty, NumFound) : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1441       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1442
1443       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1444       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1445       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1446       RedoInsts.insert(Mul);
1447
1448       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1449       if (Ops.empty())
1450         return Mul;
1451
1452       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1453       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1454       // things being added by this operation.
1455       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1456
1457       --i;
1458       e = Ops.size();
1459       continue;
1460     }
1461
1462     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1463     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1464         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1465       continue;
1466
1467     Value *X = nullptr;
1468     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1469       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1470     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1471       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1472
1473     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1474     if (FoundX == i)
1475       continue;
1476
1477     // Remove X and -X from the operand list.
1478     if (Ops.size() == 2 &&
1479         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1480       return Constant::getNullValue(X->getType());
1481
1482     // Remove X and ~X from the operand list.
1483     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1484       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1485
1486     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1487     if (i < FoundX)
1488       --FoundX;
1489     else
1490       --i;   // Need to back up an extra one.
1491     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1492     ++NumAnnihil;
1493     --i;     // Revisit element.
1494     e -= 2;  // Removed two elements.
1495
1496     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1497     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1498       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1499       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1500       e += 1;
1501     }
1502   }
1503
1504   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1505   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1506   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1507   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1508   // for any ADD operands that are MULs.
1509   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1510
1511   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1512   // where they are actually the same multiply.
1513   unsigned MaxOcc = 0;
1514   Value *MaxOccVal = nullptr;
1515   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1516     BinaryOperator *BOp =
1517         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1518     if (!BOp)
1519       continue;
1520
1521     // Compute all of the factors of this added value.
1522     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1523     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors);
1524     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1525
1526     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1527     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1528     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1529       Value *Factor = Factors[i];
1530       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1531         continue;
1532
1533       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1534       if (Occ > MaxOcc) {
1535         MaxOcc = Occ;
1536         MaxOccVal = Factor;
1537       }
1538
1539       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1540       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1541       // cannot be positivified.
1542       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1543         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1544           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1545           if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1546             continue;
1547           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1548           if (Occ > MaxOcc) {
1549             MaxOcc = Occ;
1550             MaxOccVal = Factor;
1551           }
1552         }
1553       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1554         if (CF->isNegative()) {
1555           APFloat F(CF->getValueAPF());
1556           F.changeSign();
1557           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1558           if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1559             continue;
1560           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1561           if (Occ > MaxOcc) {
1562             MaxOcc = Occ;
1563             MaxOccVal = Factor;
1564           }
1565         }
1566       }
1567     }
1568   }
1569
1570   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1571   if (MaxOcc > 1) {
1572     LLVM_DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal
1573                       << '\n');
1574     ++NumFactor;
1575
1576     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1577     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1578     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1579     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1580     Instruction *DummyInst =
1581         I->getType()->isIntOrIntVectorTy()
1582             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1583             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1584
1585     SmallVector<WeakTrackingVH, 4> NewMulOps;
1586     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1587       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1588       BinaryOperator *BOp =
1589           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1590       if (!BOp)
1591         continue;
1592
1593       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1594         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1595         // one fell swoop.
1596         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1597           --j;
1598           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1599             NewMulOps.push_back(V);
1600             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1601           }
1602         }
1603         --i;
1604       }
1605     }
1606
1607     // No need for extra uses anymore.
1608     DummyInst->deleteValue();
1609
1610     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1611     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1612
1613     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1614     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1615     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1616     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1617     (void)NumAddedValues;
1618     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1619       RedoInsts.insert(VI);
1620
1621     // Create the multiply.
1622     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "reass.mul", I, I);
1623
1624     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1625     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1626     RedoInsts.insert(V2);
1627
1628     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1629     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1630     if (Ops.empty())
1631       return V2;
1632
1633     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1634     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1635     // things being added by this operation.
1636     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1637   }
1638
1639   return nullptr;
1640 }
1641
1642 /// Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1643 ///
1644 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1645 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1646 /// the order of descending power.
1647 ///
1648 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1649 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1650 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1651 ///
1652 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1653 static bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1654                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1655   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1656   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1657   unsigned FactorPowerSum = 0;
1658   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1659     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1660
1661     // Count the number of occurrences of this value.
1662     unsigned Count = 1;
1663     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1664       ++Count;
1665     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1666     if (Count > 1)
1667       FactorPowerSum += Count;
1668   }
1669
1670   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1671   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1672   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1673   // trying to simplify already minimal formations.
1674   if (FactorPowerSum < 4)
1675     return false;
1676
1677   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1678   FactorPowerSum = 0;
1679   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1680     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1681
1682     // Count the number of occurrences of this value.
1683     unsigned Count = 1;
1684     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1685       ++Count;
1686     if (Count == 1)
1687       continue;
1688     // Move an even number of occurrences to Factors.
1689     Count &= ~1U;
1690     Idx -= Count;
1691     FactorPowerSum += Count;
1692     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1693     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1694   }
1695
1696   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1697   // below our mininum of '4'.
1698   assert(FactorPowerSum >= 4);
1699
1700   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(),
1701                    [](const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
1702     return LHS.Power > RHS.Power;
1703   });
1704   return true;
1705 }
1706
1707 /// Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1708 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1709                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1710   if (Ops.size() == 1)
1711     return Ops.back();
1712
1713   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1714   do {
1715     if (LHS->getType()->isIntOrIntVectorTy())
1716       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1717     else
1718       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1719   } while (!Ops.empty());
1720
1721   return LHS;
1722 }
1723
1724 /// Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1725 ///
1726 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1727 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1728 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1729 /// value.
1730 Value *
1731 ReassociatePass::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1732                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1733   assert(Factors[0].Power);
1734   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1735   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1736        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1737     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1738       LastIdx = Idx;
1739       continue;
1740     }
1741
1742     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1743     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1744     // for that.
1745     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1746     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1747     do {
1748       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1749       ++Idx;
1750     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1751
1752     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1753     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1754     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1755     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1756       RedoInsts.insert(MI);
1757
1758     LastIdx = Idx;
1759   }
1760   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1761   // base.
1762   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1763                             [](const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
1764                               return LHS.Power == RHS.Power;
1765                             }),
1766                 Factors.end());
1767
1768   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1769   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1770   // expression.
1771   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1772     if (Factors[Idx].Power & 1)
1773       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1774     Factors[Idx].Power >>= 1;
1775   }
1776   if (Factors[0].Power) {
1777     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1778     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1779     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1780   }
1781   if (OuterProduct.size() == 1)
1782     return OuterProduct.front();
1783
1784   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1785   return V;
1786 }
1787
1788 Value *ReassociatePass::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1789                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1790   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1791   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1792   if (Ops.size() < 4)
1793     return nullptr;
1794
1795   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1796   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1797   // re-use.
1798   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1799   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1800     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1801
1802   IRBuilder<> Builder(I);
1803   // The reassociate transformation for FP operations is performed only
1804   // if unsafe algebra is permitted by FastMathFlags. Propagate those flags
1805   // to the newly generated operations.
1806   if (auto FPI = dyn_cast<FPMathOperator>(I))
1807     Builder.setFastMathFlags(FPI->getFastMathFlags());
1808
1809   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1810   if (Ops.empty())
1811     return V;
1812
1813   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1814   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1815   return nullptr;
1816 }
1817
1818 Value *ReassociatePass::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1819                                            SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1820   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1821   // Start by folding any constants that we found.
1822   Constant *Cst = nullptr;
1823   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1824   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1825     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1826     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1827   }
1828   // If there was nothing but constants then we are done.
1829   if (Ops.empty())
1830     return Cst;
1831
1832   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1833   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1834   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1835   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1836     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1837       return Cst;
1838     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1839   }
1840
1841   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1842
1843   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1844   // argument list here.
1845   unsigned NumOps = Ops.size();
1846   switch (Opcode) {
1847   default: break;
1848   case Instruction::And:
1849   case Instruction::Or:
1850     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1851       return Result;
1852     break;
1853
1854   case Instruction::Xor:
1855     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1856       return Result;
1857     break;
1858
1859   case Instruction::Add:
1860   case Instruction::FAdd:
1861     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1862       return Result;
1863     break;
1864
1865   case Instruction::Mul:
1866   case Instruction::FMul:
1867     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1868       return Result;
1869     break;
1870   }
1871
1872   if (Ops.size() != NumOps)
1873     return OptimizeExpression(I, Ops);
1874   return nullptr;
1875 }
1876
1877 // Remove dead instructions and if any operands are trivially dead add them to
1878 // Insts so they will be removed as well.
1879 void ReassociatePass::RecursivelyEraseDeadInsts(Instruction *I,
1880                                                 OrderedSet &Insts) {
1881   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1882   SmallVector<Value *, 4> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1883   ValueRankMap.erase(I);
1884   Insts.remove(I);
1885   RedoInsts.remove(I);
1886   I->eraseFromParent();
1887   for (auto Op : Ops)
1888     if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(Op))
1889       if (OpInst->use_empty())
1890         Insts.insert(OpInst);
1891 }
1892
1893 /// Zap the given instruction, adding interesting operands to the work list.
1894 void ReassociatePass::EraseInst(Instruction *I) {
1895   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1896   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Erasing dead inst: "; I->dump());
1897
1898   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1899   // Erase the dead instruction.
1900   ValueRankMap.erase(I);
1901   RedoInsts.remove(I);
1902   I->eraseFromParent();
1903   // Optimize its operands.
1904   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1905   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1906     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1907       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1908       // and add that since that's where optimization actually happens.
1909       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1910       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1911              Visited.insert(Op).second)
1912         Op = Op->user_back();
1913
1914       // The instruction we're going to push may be coming from a
1915       // dead block, and Reassociate skips the processing of unreachable
1916       // blocks because it's a waste of time and also because it can
1917       // lead to infinite loop due to LLVM's non-standard definition
1918       // of dominance.
1919       if (ValueRankMap.find(Op) != ValueRankMap.end())
1920         RedoInsts.insert(Op);
1921     }
1922
1923   MadeChange = true;
1924 }
1925
1926 // Canonicalize expressions of the following form:
1927 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1928 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1929 Instruction *ReassociatePass::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1930   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1931     return nullptr;
1932
1933   // Must be a fmul or fdiv instruction.
1934   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1935   if (Opcode != Instruction::FMul && Opcode != Instruction::FDiv)
1936     return nullptr;
1937
1938   auto *C0 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(0));
1939   auto *C1 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(1));
1940
1941   // Both operands are constant, let it get constant folded away.
1942   if (C0 && C1)
1943     return nullptr;
1944
1945   ConstantFP *CF = C0 ? C0 : C1;
1946
1947   // Must have one constant operand.
1948   if (!CF)
1949     return nullptr;
1950
1951   // Must be a negative ConstantFP.
1952   if (!CF->isNegative())
1953     return nullptr;
1954
1955   // User must be a binary operator with one or more uses.
1956   Instruction *User = I->user_back();
1957   if (!isa<BinaryOperator>(User) || User->use_empty())
1958     return nullptr;
1959
1960   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
1961   if (UserOpcode != Instruction::FAdd && UserOpcode != Instruction::FSub)
1962     return nullptr;
1963
1964   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
1965   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
1966   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
1967     return nullptr;
1968
1969   // Don't canonicalize x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y), if the
1970   // resulting subtract will be broken up later.  This can get us into an
1971   // infinite loop during reassociation.
1972   if (UserOpcode == Instruction::FAdd && ShouldBreakUpSubtract(User))
1973     return nullptr;
1974
1975   // Change the sign of the constant.
1976   APFloat Val = CF->getValueAPF();
1977   Val.changeSign();
1978   I->setOperand(C0 ? 0 : 1, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
1979
1980   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
1981   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
1982   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
1983     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
1984
1985   Value *Op0 = User->getOperand(0);
1986   Value *Op1 = User->getOperand(1);
1987   BinaryOperator *NI;
1988   switch (UserOpcode) {
1989   default:
1990     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
1991   case Instruction::FAdd:
1992     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
1993     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
1994     break;
1995   case Instruction::FSub:
1996     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
1997     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
1998     break;
1999   }
2000
2001   NI->insertBefore(User);
2002   NI->setName(User->getName());
2003   User->replaceAllUsesWith(NI);
2004   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2005   RedoInsts.insert(I);
2006   MadeChange = true;
2007   return NI;
2008 }
2009
2010 /// Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2011 /// instructions is not allowed.
2012 void ReassociatePass::OptimizeInst(Instruction *I) {
2013   // Only consider operations that we understand.
2014   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2015     return;
2016
2017   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2018     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2019     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2020     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2021         (I->hasOneUse() &&
2022          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2023           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2024       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2025       RedoInsts.insert(I);
2026       MadeChange = true;
2027       I = NI;
2028     }
2029
2030   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2031   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2032     I = Res;
2033
2034   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2035   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2036   // transformations simpler.
2037   if (I->isCommutative())
2038     canonicalizeOperands(I);
2039
2040   // Don't optimize floating-point instructions unless they are 'fast'.
2041   if (I->getType()->isFPOrFPVectorTy() && !I->isFast())
2042     return;
2043
2044   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2045   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2046   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2047   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2048   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2049   // optimized for the most likely conditions.
2050   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2051     return;
2052
2053   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2054   // see if we can convert it to X+-Y.
2055   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2056     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2057       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I, RedoInsts);
2058       RedoInsts.insert(I);
2059       MadeChange = true;
2060       I = NI;
2061     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2062       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2063       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2064       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2065           (!I->hasOneUse() ||
2066            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2067         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2068         // If the negate was simplified, revisit the users to see if we can
2069         // reassociate further.
2070         for (User *U : NI->users()) {
2071           if (BinaryOperator *Tmp = dyn_cast<BinaryOperator>(U))
2072             RedoInsts.insert(Tmp);
2073         }
2074         RedoInsts.insert(I);
2075         MadeChange = true;
2076         I = NI;
2077       }
2078     }
2079   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2080     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2081       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I, RedoInsts);
2082       RedoInsts.insert(I);
2083       MadeChange = true;
2084       I = NI;
2085     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2086       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2087       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2088       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2089           (!I->hasOneUse() ||
2090            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2091         // If the negate was simplified, revisit the users to see if we can
2092         // reassociate further.
2093         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2094         for (User *U : NI->users()) {
2095           if (BinaryOperator *Tmp = dyn_cast<BinaryOperator>(U))
2096             RedoInsts.insert(Tmp);
2097         }
2098         RedoInsts.insert(I);
2099         MadeChange = true;
2100         I = NI;
2101       }
2102     }
2103   }
2104
2105   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2106   if (!I->isAssociative()) return;
2107   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2108
2109   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2110   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2111   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2112   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode) {
2113     // During the initial run we will get to the root of the tree.
2114     // But if we get here while we are redoing instructions, there is no
2115     // guarantee that the root will be visited. So Redo later
2116     if (BO->user_back() != BO &&
2117         BO->getParent() == BO->user_back()->getParent())
2118       RedoInsts.insert(BO->user_back());
2119     return;
2120   }
2121
2122   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2123   // until we process the subtract.
2124   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2125       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2126     return;
2127   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2128       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2129     return;
2130
2131   ReassociateExpression(BO);
2132 }
2133
2134 void ReassociatePass::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2135   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2136   // operand information.
2137   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2138   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2139   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2140   Ops.reserve(Tree.size());
2141   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2142     RepeatedValue E = Tree[i];
2143     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2144                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2145   }
2146
2147   LLVM_DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2148
2149   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2150   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2151   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2152   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2153   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2154   // the vector.
2155   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2156
2157   // Now that we have the expression tree in a convenient
2158   // sorted form, optimize it globally if possible.
2159   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2160     if (V == I)
2161       // Self-referential expression in unreachable code.
2162       return;
2163     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2164     // eliminate it.
2165     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2166     I->replaceAllUsesWith(V);
2167     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2168       if (I->getDebugLoc())
2169         VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2170     RedoInsts.insert(I);
2171     ++NumAnnihil;
2172     return;
2173   }
2174
2175   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2176   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2177   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2178   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2179   if (I->hasOneUse()) {
2180     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2181         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2182         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2183         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isMinusOne()) {
2184       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2185       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2186     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2187                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2188                    Instruction::FAdd &&
2189                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2190                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2191       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2192       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2193     }
2194   }
2195
2196   LLVM_DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2197
2198   if (Ops.size() == 1) {
2199     if (Ops[0].Op == I)
2200       // Self-referential expression in unreachable code.
2201       return;
2202
2203     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2204     // eliminate it.
2205     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2206     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2207       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2208     RedoInsts.insert(I);
2209     return;
2210   }
2211
2212   if (Ops.size() > 2 && Ops.size() <= GlobalReassociateLimit) {
2213     // Find the pair with the highest count in the pairmap and move it to the
2214     // back of the list so that it can later be CSE'd.
2215     // example:
2216     //   a*b*c*d*e
2217     // if c*e is the most "popular" pair, we can express this as
2218     //   (((c*e)*d)*b)*a
2219     unsigned Max = 1;
2220     unsigned BestRank = 0;
2221     std::pair<unsigned, unsigned> BestPair;
2222     unsigned Idx = I->getOpcode() - Instruction::BinaryOpsBegin;
2223     for (unsigned i = 0; i < Ops.size() - 1; ++i)
2224       for (unsigned j = i + 1; j < Ops.size(); ++j) {
2225         unsigned Score = 0;
2226         Value *Op0 = Ops[i].Op;
2227         Value *Op1 = Ops[j].Op;
2228         if (std::less<Value *>()(Op1, Op0))
2229           std::swap(Op0, Op1);
2230         auto it = PairMap[Idx].find({Op0, Op1});
2231         if (it != PairMap[Idx].end())
2232           Score += it->second;
2233
2234         unsigned MaxRank = std::max(Ops[i].Rank, Ops[j].Rank);
2235         if (Score > Max || (Score == Max && MaxRank < BestRank)) {
2236           BestPair = {i, j};
2237           Max = Score;
2238           BestRank = MaxRank;
2239         }
2240       }
2241     if (Max > 1) {
2242       auto Op0 = Ops[BestPair.first];
2243       auto Op1 = Ops[BestPair.second];
2244       Ops.erase(&Ops[BestPair.second]);
2245       Ops.erase(&Ops[BestPair.first]);
2246       Ops.push_back(Op0);
2247       Ops.push_back(Op1);
2248     }
2249   }
2250   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2251   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2252   RewriteExprTree(I, Ops);
2253 }
2254
2255 void
2256 ReassociatePass::BuildPairMap(ReversePostOrderTraversal<Function *> &RPOT) {
2257   // Make a "pairmap" of how often each operand pair occurs.
2258   for (BasicBlock *BI : RPOT) {
2259     for (Instruction &I : *BI) {
2260       if (!I.isAssociative())
2261         continue;
2262
2263       // Ignore nodes that aren't at the root of trees.
2264       if (I.hasOneUse() && I.user_back()->getOpcode() == I.getOpcode())
2265         continue;
2266
2267       // Collect all operands in a single reassociable expression.
2268       // Since Reassociate has already been run once, we can assume things
2269       // are already canonical according to Reassociation's regime.
2270       SmallVector<Value *, 8> Worklist = { I.getOperand(0), I.getOperand(1) };
2271       SmallVector<Value *, 8> Ops;
2272       while (!Worklist.empty() && Ops.size() <= GlobalReassociateLimit) {
2273         Value *Op = Worklist.pop_back_val();
2274         Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(Op);
2275         if (!OpI || OpI->getOpcode() != I.getOpcode() || !OpI->hasOneUse()) {
2276           Ops.push_back(Op);
2277           continue;
2278         }
2279         // Be paranoid about self-referencing expressions in unreachable code.
2280         if (OpI->getOperand(0) != OpI)
2281           Worklist.push_back(OpI->getOperand(0));
2282         if (OpI->getOperand(1) != OpI)
2283           Worklist.push_back(OpI->getOperand(1));
2284       }
2285       // Skip extremely long expressions.
2286       if (Ops.size() > GlobalReassociateLimit)
2287         continue;
2288
2289       // Add all pairwise combinations of operands to the pair map.
2290       unsigned BinaryIdx = I.getOpcode() - Instruction::BinaryOpsBegin;
2291       SmallSet<std::pair<Value *, Value*>, 32> Visited;
2292       for (unsigned i = 0; i < Ops.size() - 1; ++i) {
2293         for (unsigned j = i + 1; j < Ops.size(); ++j) {
2294           // Canonicalize operand orderings.
2295           Value *Op0 = Ops[i];
2296           Value *Op1 = Ops[j];
2297           if (std::less<Value *>()(Op1, Op0))
2298             std::swap(Op0, Op1);
2299           if (!Visited.insert({Op0, Op1}).second)
2300             continue;
2301           auto res = PairMap[BinaryIdx].insert({{Op0, Op1}, 1});
2302           if (!res.second)
2303             ++res.first->second;
2304         }
2305       }
2306     }
2307   }
2308 }
2309
2310 PreservedAnalyses ReassociatePass::run(Function &F, FunctionAnalysisManager &) {
2311   // Get the functions basic blocks in Reverse Post Order. This order is used by
2312   // BuildRankMap to pre calculate ranks correctly. It also excludes dead basic
2313   // blocks (it has been seen that the analysis in this pass could hang when
2314   // analysing dead basic blocks).
2315   ReversePostOrderTraversal<Function *> RPOT(&F);
2316
2317   // Calculate the rank map for F.
2318   BuildRankMap(F, RPOT);
2319
2320   // Build the pair map before running reassociate.
2321   // Technically this would be more accurate if we did it after one round
2322   // of reassociation, but in practice it doesn't seem to help much on
2323   // real-world code, so don't waste the compile time running reassociate
2324   // twice.
2325   // If a user wants, they could expicitly run reassociate twice in their
2326   // pass pipeline for further potential gains.
2327   // It might also be possible to update the pair map during runtime, but the
2328   // overhead of that may be large if there's many reassociable chains.
2329   BuildPairMap(RPOT);
2330
2331   MadeChange = false;
2332
2333   // Traverse the same blocks that were analysed by BuildRankMap.
2334   for (BasicBlock *BI : RPOT) {
2335     assert(RankMap.count(&*BI) && "BB should be ranked.");
2336     // Optimize every instruction in the basic block.
2337     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE;)
2338       if (isInstructionTriviallyDead(&*II)) {
2339         EraseInst(&*II++);
2340       } else {
2341         OptimizeInst(&*II);
2342         assert(II->getParent() == &*BI && "Moved to a different block!");
2343         ++II;
2344       }
2345
2346     // Make a copy of all the instructions to be redone so we can remove dead
2347     // instructions.
2348     OrderedSet ToRedo(RedoInsts);
2349     // Iterate over all instructions to be reevaluated and remove trivially dead
2350     // instructions. If any operand of the trivially dead instruction becomes
2351     // dead mark it for deletion as well. Continue this process until all
2352     // trivially dead instructions have been removed.
2353     while (!ToRedo.empty()) {
2354       Instruction *I = ToRedo.pop_back_val();
2355       if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
2356         RecursivelyEraseDeadInsts(I, ToRedo);
2357         MadeChange = true;
2358       }
2359     }
2360
2361     // Now that we have removed dead instructions, we can reoptimize the
2362     // remaining instructions.
2363     while (!RedoInsts.empty()) {
2364       Instruction *I = RedoInsts.front();
2365       RedoInsts.erase(RedoInsts.begin());
2366       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2367         EraseInst(I);
2368       else
2369         OptimizeInst(I);
2370     }
2371   }
2372
2373   // We are done with the rank map and pair map.
2374   RankMap.clear();
2375   ValueRankMap.clear();
2376   for (auto &Entry : PairMap)
2377     Entry.clear();
2378
2379   if (MadeChange) {
2380     PreservedAnalyses PA;
2381     PA.preserveSet<CFGAnalyses>();
2382     PA.preserve<GlobalsAA>();
2383     return PA;
2384   }
2385
2386   return PreservedAnalyses::all();
2387 }
2388
2389 namespace {
2390
2391   class ReassociateLegacyPass : public FunctionPass {
2392     ReassociatePass Impl;
2393
2394   public:
2395     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2396
2397     ReassociateLegacyPass() : FunctionPass(ID) {
2398       initializeReassociateLegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2399     }
2400
2401     bool runOnFunction(Function &F) override {
2402       if (skipFunction(F))
2403         return false;
2404
2405       FunctionAnalysisManager DummyFAM;
2406       auto PA = Impl.run(F, DummyFAM);
2407       return !PA.areAllPreserved();
2408     }
2409
2410     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2411       AU.setPreservesCFG();
2412       AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
2413     }
2414   };
2415
2416 } // end anonymous namespace
2417
2418 char ReassociateLegacyPass::ID = 0;
2419
2420 INITIALIZE_PASS(ReassociateLegacyPass, "reassociate",
2421                 "Reassociate expressions", false, false)
2422
2423 // Public interface to the Reassociate pass
2424 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() {
2425   return new ReassociateLegacyPass();
2426 }