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