]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Vectorize/LoopVectorize.cpp
Merge clang 7.0.1 and several follow-up changes
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / Vectorize / LoopVectorize.cpp
1 //===- LoopVectorize.cpp - A Loop Vectorizer ------------------------------===//
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 is the LLVM loop vectorizer. This pass modifies 'vectorizable' loops
11 // and generates target-independent LLVM-IR.
12 // The vectorizer uses the TargetTransformInfo analysis to estimate the costs
13 // of instructions in order to estimate the profitability of vectorization.
14 //
15 // The loop vectorizer combines consecutive loop iterations into a single
16 // 'wide' iteration. After this transformation the index is incremented
17 // by the SIMD vector width, and not by one.
18 //
19 // This pass has three parts:
20 // 1. The main loop pass that drives the different parts.
21 // 2. LoopVectorizationLegality - A unit that checks for the legality
22 //    of the vectorization.
23 // 3. InnerLoopVectorizer - A unit that performs the actual
24 //    widening of instructions.
25 // 4. LoopVectorizationCostModel - A unit that checks for the profitability
26 //    of vectorization. It decides on the optimal vector width, which
27 //    can be one, if vectorization is not profitable.
28 //
29 // There is a development effort going on to migrate loop vectorizer to the
30 // VPlan infrastructure and to introduce outer loop vectorization support (see
31 // docs/Proposal/VectorizationPlan.rst and
32 // http://lists.llvm.org/pipermail/llvm-dev/2017-December/119523.html). For this
33 // purpose, we temporarily introduced the VPlan-native vectorization path: an
34 // alternative vectorization path that is natively implemented on top of the
35 // VPlan infrastructure. See EnableVPlanNativePath for enabling.
36 //
37 //===----------------------------------------------------------------------===//
38 //
39 // The reduction-variable vectorization is based on the paper:
40 //  D. Nuzman and R. Henderson. Multi-platform Auto-vectorization.
41 //
42 // Variable uniformity checks are inspired by:
43 //  Karrenberg, R. and Hack, S. Whole Function Vectorization.
44 //
45 // The interleaved access vectorization is based on the paper:
46 //  Dorit Nuzman, Ira Rosen and Ayal Zaks.  Auto-Vectorization of Interleaved
47 //  Data for SIMD
48 //
49 // Other ideas/concepts are from:
50 //  A. Zaks and D. Nuzman. Autovectorization in GCC-two years later.
51 //
52 //  S. Maleki, Y. Gao, M. Garzaran, T. Wong and D. Padua.  An Evaluation of
53 //  Vectorizing Compilers.
54 //
55 //===----------------------------------------------------------------------===//
56
57 #include "llvm/Transforms/Vectorize/LoopVectorize.h"
58 #include "LoopVectorizationPlanner.h"
59 #include "VPRecipeBuilder.h"
60 #include "VPlanHCFGBuilder.h"
61 #include "llvm/ADT/APInt.h"
62 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
63 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
64 #include "llvm/ADT/DenseMapInfo.h"
65 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
66 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
67 #include "llvm/ADT/None.h"
68 #include "llvm/ADT/Optional.h"
69 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
70 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
71 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
72 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
73 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
74 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
75 #include "llvm/ADT/Twine.h"
76 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
77 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
78 #include "llvm/Analysis/BasicAliasAnalysis.h"
79 #include "llvm/Analysis/BlockFrequencyInfo.h"
80 #include "llvm/Analysis/CFG.h"
81 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
82 #include "llvm/Analysis/DemandedBits.h"
83 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
84 #include "llvm/Analysis/LoopAccessAnalysis.h"
85 #include "llvm/Analysis/LoopAnalysisManager.h"
86 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
87 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
88 #include "llvm/Analysis/OptimizationRemarkEmitter.h"
89 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
90 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
91 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
92 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
93 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
94 #include "llvm/Analysis/VectorUtils.h"
95 #include "llvm/IR/Attributes.h"
96 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
97 #include "llvm/IR/CFG.h"
98 #include "llvm/IR/Constant.h"
99 #include "llvm/IR/Constants.h"
100 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
101 #include "llvm/IR/DebugInfoMetadata.h"
102 #include "llvm/IR/DebugLoc.h"
103 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
104 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
105 #include "llvm/IR/Dominators.h"
106 #include "llvm/IR/Function.h"
107 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
108 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
109 #include "llvm/IR/Instruction.h"
110 #include "llvm/IR/Instructions.h"
111 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
112 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
113 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
114 #include "llvm/IR/Metadata.h"
115 #include "llvm/IR/Module.h"
116 #include "llvm/IR/Operator.h"
117 #include "llvm/IR/Type.h"
118 #include "llvm/IR/Use.h"
119 #include "llvm/IR/User.h"
120 #include "llvm/IR/Value.h"
121 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
122 #include "llvm/IR/Verifier.h"
123 #include "llvm/Pass.h"
124 #include "llvm/Support/Casting.h"
125 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
126 #include "llvm/Support/Compiler.h"
127 #include "llvm/Support/Debug.h"
128 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
129 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
130 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
131 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
132 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopSimplify.h"
133 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
134 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopVersioning.h"
135 #include "llvm/Transforms/Vectorize/LoopVectorizationLegality.h"
136 #include <algorithm>
137 #include <cassert>
138 #include <cstdint>
139 #include <cstdlib>
140 #include <functional>
141 #include <iterator>
142 #include <limits>
143 #include <memory>
144 #include <string>
145 #include <tuple>
146 #include <utility>
147 #include <vector>
148
149 using namespace llvm;
150
151 #define LV_NAME "loop-vectorize"
152 #define DEBUG_TYPE LV_NAME
153
154 STATISTIC(LoopsVectorized, "Number of loops vectorized");
155 STATISTIC(LoopsAnalyzed, "Number of loops analyzed for vectorization");
156
157 /// Loops with a known constant trip count below this number are vectorized only
158 /// if no scalar iteration overheads are incurred.
159 static cl::opt<unsigned> TinyTripCountVectorThreshold(
160     "vectorizer-min-trip-count", cl::init(16), cl::Hidden,
161     cl::desc("Loops with a constant trip count that is smaller than this "
162              "value are vectorized only if no scalar iteration overheads "
163              "are incurred."));
164
165 static cl::opt<bool> MaximizeBandwidth(
166     "vectorizer-maximize-bandwidth", cl::init(false), cl::Hidden,
167     cl::desc("Maximize bandwidth when selecting vectorization factor which "
168              "will be determined by the smallest type in loop."));
169
170 static cl::opt<bool> EnableInterleavedMemAccesses(
171     "enable-interleaved-mem-accesses", cl::init(false), cl::Hidden,
172     cl::desc("Enable vectorization on interleaved memory accesses in a loop"));
173
174 /// Maximum factor for an interleaved memory access.
175 static cl::opt<unsigned> MaxInterleaveGroupFactor(
176     "max-interleave-group-factor", cl::Hidden,
177     cl::desc("Maximum factor for an interleaved access group (default = 8)"),
178     cl::init(8));
179
180 /// We don't interleave loops with a known constant trip count below this
181 /// number.
182 static const unsigned TinyTripCountInterleaveThreshold = 128;
183
184 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumScalarRegs(
185     "force-target-num-scalar-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
186     cl::desc("A flag that overrides the target's number of scalar registers."));
187
188 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumVectorRegs(
189     "force-target-num-vector-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
190     cl::desc("A flag that overrides the target's number of vector registers."));
191
192 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor(
193     "force-target-max-scalar-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
194     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
195              "scalar loops."));
196
197 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor(
198     "force-target-max-vector-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
199     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
200              "vectorized loops."));
201
202 static cl::opt<unsigned> ForceTargetInstructionCost(
203     "force-target-instruction-cost", cl::init(0), cl::Hidden,
204     cl::desc("A flag that overrides the target's expected cost for "
205              "an instruction to a single constant value. Mostly "
206              "useful for getting consistent testing."));
207
208 static cl::opt<unsigned> SmallLoopCost(
209     "small-loop-cost", cl::init(20), cl::Hidden,
210     cl::desc(
211         "The cost of a loop that is considered 'small' by the interleaver."));
212
213 static cl::opt<bool> LoopVectorizeWithBlockFrequency(
214     "loop-vectorize-with-block-frequency", cl::init(true), cl::Hidden,
215     cl::desc("Enable the use of the block frequency analysis to access PGO "
216              "heuristics minimizing code growth in cold regions and being more "
217              "aggressive in hot regions."));
218
219 // Runtime interleave loops for load/store throughput.
220 static cl::opt<bool> EnableLoadStoreRuntimeInterleave(
221     "enable-loadstore-runtime-interleave", cl::init(true), cl::Hidden,
222     cl::desc(
223         "Enable runtime interleaving until load/store ports are saturated"));
224
225 /// The number of stores in a loop that are allowed to need predication.
226 static cl::opt<unsigned> NumberOfStoresToPredicate(
227     "vectorize-num-stores-pred", cl::init(1), cl::Hidden,
228     cl::desc("Max number of stores to be predicated behind an if."));
229
230 static cl::opt<bool> EnableIndVarRegisterHeur(
231     "enable-ind-var-reg-heur", cl::init(true), cl::Hidden,
232     cl::desc("Count the induction variable only once when interleaving"));
233
234 static cl::opt<bool> EnableCondStoresVectorization(
235     "enable-cond-stores-vec", cl::init(true), cl::Hidden,
236     cl::desc("Enable if predication of stores during vectorization."));
237
238 static cl::opt<unsigned> MaxNestedScalarReductionIC(
239     "max-nested-scalar-reduction-interleave", cl::init(2), cl::Hidden,
240     cl::desc("The maximum interleave count to use when interleaving a scalar "
241              "reduction in a nested loop."));
242
243 static cl::opt<bool> EnableVPlanNativePath(
244     "enable-vplan-native-path", cl::init(false), cl::Hidden,
245     cl::desc("Enable VPlan-native vectorization path with "
246              "support for outer loop vectorization."));
247
248 // This flag enables the stress testing of the VPlan H-CFG construction in the
249 // VPlan-native vectorization path. It must be used in conjuction with
250 // -enable-vplan-native-path. -vplan-verify-hcfg can also be used to enable the
251 // verification of the H-CFGs built.
252 static cl::opt<bool> VPlanBuildStressTest(
253     "vplan-build-stress-test", cl::init(false), cl::Hidden,
254     cl::desc(
255         "Build VPlan for every supported loop nest in the function and bail "
256         "out right after the build (stress test the VPlan H-CFG construction "
257         "in the VPlan-native vectorization path)."));
258
259 /// A helper function for converting Scalar types to vector types.
260 /// If the incoming type is void, we return void. If the VF is 1, we return
261 /// the scalar type.
262 static Type *ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
263   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
264     return Scalar;
265   return VectorType::get(Scalar, VF);
266 }
267
268 // FIXME: The following helper functions have multiple implementations
269 // in the project. They can be effectively organized in a common Load/Store
270 // utilities unit.
271
272 /// A helper function that returns the type of loaded or stored value.
273 static Type *getMemInstValueType(Value *I) {
274   assert((isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I)) &&
275          "Expected Load or Store instruction");
276   if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
277     return LI->getType();
278   return cast<StoreInst>(I)->getValueOperand()->getType();
279 }
280
281 /// A helper function that returns the alignment of load or store instruction.
282 static unsigned getMemInstAlignment(Value *I) {
283   assert((isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I)) &&
284          "Expected Load or Store instruction");
285   if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
286     return LI->getAlignment();
287   return cast<StoreInst>(I)->getAlignment();
288 }
289
290 /// A helper function that returns the address space of the pointer operand of
291 /// load or store instruction.
292 static unsigned getMemInstAddressSpace(Value *I) {
293   assert((isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I)) &&
294          "Expected Load or Store instruction");
295   if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
296     return LI->getPointerAddressSpace();
297   return cast<StoreInst>(I)->getPointerAddressSpace();
298 }
299
300 /// A helper function that returns true if the given type is irregular. The
301 /// type is irregular if its allocated size doesn't equal the store size of an
302 /// element of the corresponding vector type at the given vectorization factor.
303 static bool hasIrregularType(Type *Ty, const DataLayout &DL, unsigned VF) {
304   // Determine if an array of VF elements of type Ty is "bitcast compatible"
305   // with a <VF x Ty> vector.
306   if (VF > 1) {
307     auto *VectorTy = VectorType::get(Ty, VF);
308     return VF * DL.getTypeAllocSize(Ty) != DL.getTypeStoreSize(VectorTy);
309   }
310
311   // If the vectorization factor is one, we just check if an array of type Ty
312   // requires padding between elements.
313   return DL.getTypeAllocSizeInBits(Ty) != DL.getTypeSizeInBits(Ty);
314 }
315
316 /// A helper function that returns the reciprocal of the block probability of
317 /// predicated blocks. If we return X, we are assuming the predicated block
318 /// will execute once for every X iterations of the loop header.
319 ///
320 /// TODO: We should use actual block probability here, if available. Currently,
321 ///       we always assume predicated blocks have a 50% chance of executing.
322 static unsigned getReciprocalPredBlockProb() { return 2; }
323
324 /// A helper function that adds a 'fast' flag to floating-point operations.
325 static Value *addFastMathFlag(Value *V) {
326   if (isa<FPMathOperator>(V)) {
327     FastMathFlags Flags;
328     Flags.setFast();
329     cast<Instruction>(V)->setFastMathFlags(Flags);
330   }
331   return V;
332 }
333
334 /// A helper function that returns an integer or floating-point constant with
335 /// value C.
336 static Constant *getSignedIntOrFpConstant(Type *Ty, int64_t C) {
337   return Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::getSigned(Ty, C)
338                            : ConstantFP::get(Ty, C);
339 }
340
341 namespace llvm {
342
343 /// InnerLoopVectorizer vectorizes loops which contain only one basic
344 /// block to a specified vectorization factor (VF).
345 /// This class performs the widening of scalars into vectors, or multiple
346 /// scalars. This class also implements the following features:
347 /// * It inserts an epilogue loop for handling loops that don't have iteration
348 ///   counts that are known to be a multiple of the vectorization factor.
349 /// * It handles the code generation for reduction variables.
350 /// * Scalarization (implementation using scalars) of un-vectorizable
351 ///   instructions.
352 /// InnerLoopVectorizer does not perform any vectorization-legality
353 /// checks, and relies on the caller to check for the different legality
354 /// aspects. The InnerLoopVectorizer relies on the
355 /// LoopVectorizationLegality class to provide information about the induction
356 /// and reduction variables that were found to a given vectorization factor.
357 class InnerLoopVectorizer {
358 public:
359   InnerLoopVectorizer(Loop *OrigLoop, PredicatedScalarEvolution &PSE,
360                       LoopInfo *LI, DominatorTree *DT,
361                       const TargetLibraryInfo *TLI,
362                       const TargetTransformInfo *TTI, AssumptionCache *AC,
363                       OptimizationRemarkEmitter *ORE, unsigned VecWidth,
364                       unsigned UnrollFactor, LoopVectorizationLegality *LVL,
365                       LoopVectorizationCostModel *CM)
366       : OrigLoop(OrigLoop), PSE(PSE), LI(LI), DT(DT), TLI(TLI), TTI(TTI),
367         AC(AC), ORE(ORE), VF(VecWidth), UF(UnrollFactor),
368         Builder(PSE.getSE()->getContext()),
369         VectorLoopValueMap(UnrollFactor, VecWidth), Legal(LVL), Cost(CM) {}
370   virtual ~InnerLoopVectorizer() = default;
371
372   /// Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
373   /// Return the pre-header block of the new loop.
374   BasicBlock *createVectorizedLoopSkeleton();
375
376   /// Widen a single instruction within the innermost loop.
377   void widenInstruction(Instruction &I);
378
379   /// Fix the vectorized code, taking care of header phi's, live-outs, and more.
380   void fixVectorizedLoop();
381
382   // Return true if any runtime check is added.
383   bool areSafetyChecksAdded() { return AddedSafetyChecks; }
384
385   /// A type for vectorized values in the new loop. Each value from the
386   /// original loop, when vectorized, is represented by UF vector values in the
387   /// new unrolled loop, where UF is the unroll factor.
388   using VectorParts = SmallVector<Value *, 2>;
389
390   /// Vectorize a single PHINode in a block. This method handles the induction
391   /// variable canonicalization. It supports both VF = 1 for unrolled loops and
392   /// arbitrary length vectors.
393   void widenPHIInstruction(Instruction *PN, unsigned UF, unsigned VF);
394
395   /// A helper function to scalarize a single Instruction in the innermost loop.
396   /// Generates a sequence of scalar instances for each lane between \p MinLane
397   /// and \p MaxLane, times each part between \p MinPart and \p MaxPart,
398   /// inclusive..
399   void scalarizeInstruction(Instruction *Instr, const VPIteration &Instance,
400                             bool IfPredicateInstr);
401
402   /// Widen an integer or floating-point induction variable \p IV. If \p Trunc
403   /// is provided, the integer induction variable will first be truncated to
404   /// the corresponding type.
405   void widenIntOrFpInduction(PHINode *IV, TruncInst *Trunc = nullptr);
406
407   /// getOrCreateVectorValue and getOrCreateScalarValue coordinate to generate a
408   /// vector or scalar value on-demand if one is not yet available. When
409   /// vectorizing a loop, we visit the definition of an instruction before its
410   /// uses. When visiting the definition, we either vectorize or scalarize the
411   /// instruction, creating an entry for it in the corresponding map. (In some
412   /// cases, such as induction variables, we will create both vector and scalar
413   /// entries.) Then, as we encounter uses of the definition, we derive values
414   /// for each scalar or vector use unless such a value is already available.
415   /// For example, if we scalarize a definition and one of its uses is vector,
416   /// we build the required vector on-demand with an insertelement sequence
417   /// when visiting the use. Otherwise, if the use is scalar, we can use the
418   /// existing scalar definition.
419   ///
420   /// Return a value in the new loop corresponding to \p V from the original
421   /// loop at unroll index \p Part. If the value has already been vectorized,
422   /// the corresponding vector entry in VectorLoopValueMap is returned. If,
423   /// however, the value has a scalar entry in VectorLoopValueMap, we construct
424   /// a new vector value on-demand by inserting the scalar values into a vector
425   /// with an insertelement sequence. If the value has been neither vectorized
426   /// nor scalarized, it must be loop invariant, so we simply broadcast the
427   /// value into a vector.
428   Value *getOrCreateVectorValue(Value *V, unsigned Part);
429
430   /// Return a value in the new loop corresponding to \p V from the original
431   /// loop at unroll and vector indices \p Instance. If the value has been
432   /// vectorized but not scalarized, the necessary extractelement instruction
433   /// will be generated.
434   Value *getOrCreateScalarValue(Value *V, const VPIteration &Instance);
435
436   /// Construct the vector value of a scalarized value \p V one lane at a time.
437   void packScalarIntoVectorValue(Value *V, const VPIteration &Instance);
438
439   /// Try to vectorize the interleaved access group that \p Instr belongs to.
440   void vectorizeInterleaveGroup(Instruction *Instr);
441
442   /// Vectorize Load and Store instructions, optionally masking the vector
443   /// operations if \p BlockInMask is non-null.
444   void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
445                                   VectorParts *BlockInMask = nullptr);
446
447   /// Set the debug location in the builder using the debug location in
448   /// the instruction.
449   void setDebugLocFromInst(IRBuilder<> &B, const Value *Ptr);
450
451 protected:
452   friend class LoopVectorizationPlanner;
453
454   /// A small list of PHINodes.
455   using PhiVector = SmallVector<PHINode *, 4>;
456
457   /// A type for scalarized values in the new loop. Each value from the
458   /// original loop, when scalarized, is represented by UF x VF scalar values
459   /// in the new unrolled loop, where UF is the unroll factor and VF is the
460   /// vectorization factor.
461   using ScalarParts = SmallVector<SmallVector<Value *, 4>, 2>;
462
463   /// Set up the values of the IVs correctly when exiting the vector loop.
464   void fixupIVUsers(PHINode *OrigPhi, const InductionDescriptor &II,
465                     Value *CountRoundDown, Value *EndValue,
466                     BasicBlock *MiddleBlock);
467
468   /// Create a new induction variable inside L.
469   PHINode *createInductionVariable(Loop *L, Value *Start, Value *End,
470                                    Value *Step, Instruction *DL);
471
472   /// Handle all cross-iteration phis in the header.
473   void fixCrossIterationPHIs();
474
475   /// Fix a first-order recurrence. This is the second phase of vectorizing
476   /// this phi node.
477   void fixFirstOrderRecurrence(PHINode *Phi);
478
479   /// Fix a reduction cross-iteration phi. This is the second phase of
480   /// vectorizing this phi node.
481   void fixReduction(PHINode *Phi);
482
483   /// The Loop exit block may have single value PHI nodes with some
484   /// incoming value. While vectorizing we only handled real values
485   /// that were defined inside the loop and we should have one value for
486   /// each predecessor of its parent basic block. See PR14725.
487   void fixLCSSAPHIs();
488
489   /// Iteratively sink the scalarized operands of a predicated instruction into
490   /// the block that was created for it.
491   void sinkScalarOperands(Instruction *PredInst);
492
493   /// Shrinks vector element sizes to the smallest bitwidth they can be legally
494   /// represented as.
495   void truncateToMinimalBitwidths();
496
497   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager
498   /// and update the analysis passes.
499   void updateAnalysis();
500
501   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
502   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
503   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
504   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
505   /// element.
506   virtual Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
507
508   /// This function adds (StartIdx, StartIdx + Step, StartIdx + 2*Step, ...)
509   /// to each vector element of Val. The sequence starts at StartIndex.
510   /// \p Opcode is relevant for FP induction variable.
511   virtual Value *getStepVector(Value *Val, int StartIdx, Value *Step,
512                                Instruction::BinaryOps Opcode =
513                                Instruction::BinaryOpsEnd);
514
515   /// Compute scalar induction steps. \p ScalarIV is the scalar induction
516   /// variable on which to base the steps, \p Step is the size of the step, and
517   /// \p EntryVal is the value from the original loop that maps to the steps.
518   /// Note that \p EntryVal doesn't have to be an induction variable - it
519   /// can also be a truncate instruction.
520   void buildScalarSteps(Value *ScalarIV, Value *Step, Instruction *EntryVal,
521                         const InductionDescriptor &ID);
522
523   /// Create a vector induction phi node based on an existing scalar one. \p
524   /// EntryVal is the value from the original loop that maps to the vector phi
525   /// node, and \p Step is the loop-invariant step. If \p EntryVal is a
526   /// truncate instruction, instead of widening the original IV, we widen a
527   /// version of the IV truncated to \p EntryVal's type.
528   void createVectorIntOrFpInductionPHI(const InductionDescriptor &II,
529                                        Value *Step, Instruction *EntryVal);
530
531   /// Returns true if an instruction \p I should be scalarized instead of
532   /// vectorized for the chosen vectorization factor.
533   bool shouldScalarizeInstruction(Instruction *I) const;
534
535   /// Returns true if we should generate a scalar version of \p IV.
536   bool needsScalarInduction(Instruction *IV) const;
537
538   /// If there is a cast involved in the induction variable \p ID, which should
539   /// be ignored in the vectorized loop body, this function records the
540   /// VectorLoopValue of the respective Phi also as the VectorLoopValue of the
541   /// cast. We had already proved that the casted Phi is equal to the uncasted
542   /// Phi in the vectorized loop (under a runtime guard), and therefore
543   /// there is no need to vectorize the cast - the same value can be used in the
544   /// vector loop for both the Phi and the cast.
545   /// If \p VectorLoopValue is a scalarized value, \p Lane is also specified,
546   /// Otherwise, \p VectorLoopValue is a widened/vectorized value.
547   ///
548   /// \p EntryVal is the value from the original loop that maps to the vector
549   /// phi node and is used to distinguish what is the IV currently being
550   /// processed - original one (if \p EntryVal is a phi corresponding to the
551   /// original IV) or the "newly-created" one based on the proof mentioned above
552   /// (see also buildScalarSteps() and createVectorIntOrFPInductionPHI()). In the
553   /// latter case \p EntryVal is a TruncInst and we must not record anything for
554   /// that IV, but it's error-prone to expect callers of this routine to care
555   /// about that, hence this explicit parameter.
556   void recordVectorLoopValueForInductionCast(const InductionDescriptor &ID,
557                                              const Instruction *EntryVal,
558                                              Value *VectorLoopValue,
559                                              unsigned Part,
560                                              unsigned Lane = UINT_MAX);
561
562   /// Generate a shuffle sequence that will reverse the vector Vec.
563   virtual Value *reverseVector(Value *Vec);
564
565   /// Returns (and creates if needed) the original loop trip count.
566   Value *getOrCreateTripCount(Loop *NewLoop);
567
568   /// Returns (and creates if needed) the trip count of the widened loop.
569   Value *getOrCreateVectorTripCount(Loop *NewLoop);
570
571   /// Returns a bitcasted value to the requested vector type.
572   /// Also handles bitcasts of vector<float> <-> vector<pointer> types.
573   Value *createBitOrPointerCast(Value *V, VectorType *DstVTy,
574                                 const DataLayout &DL);
575
576   /// Emit a bypass check to see if the vector trip count is zero, including if
577   /// it overflows.
578   void emitMinimumIterationCountCheck(Loop *L, BasicBlock *Bypass);
579
580   /// Emit a bypass check to see if all of the SCEV assumptions we've
581   /// had to make are correct.
582   void emitSCEVChecks(Loop *L, BasicBlock *Bypass);
583
584   /// Emit bypass checks to check any memory assumptions we may have made.
585   void emitMemRuntimeChecks(Loop *L, BasicBlock *Bypass);
586
587   /// Add additional metadata to \p To that was not present on \p Orig.
588   ///
589   /// Currently this is used to add the noalias annotations based on the
590   /// inserted memchecks.  Use this for instructions that are *cloned* into the
591   /// vector loop.
592   void addNewMetadata(Instruction *To, const Instruction *Orig);
593
594   /// Add metadata from one instruction to another.
595   ///
596   /// This includes both the original MDs from \p From and additional ones (\see
597   /// addNewMetadata).  Use this for *newly created* instructions in the vector
598   /// loop.
599   void addMetadata(Instruction *To, Instruction *From);
600
601   /// Similar to the previous function but it adds the metadata to a
602   /// vector of instructions.
603   void addMetadata(ArrayRef<Value *> To, Instruction *From);
604
605   /// The original loop.
606   Loop *OrigLoop;
607
608   /// A wrapper around ScalarEvolution used to add runtime SCEV checks. Applies
609   /// dynamic knowledge to simplify SCEV expressions and converts them to a
610   /// more usable form.
611   PredicatedScalarEvolution &PSE;
612
613   /// Loop Info.
614   LoopInfo *LI;
615
616   /// Dominator Tree.
617   DominatorTree *DT;
618
619   /// Alias Analysis.
620   AliasAnalysis *AA;
621
622   /// Target Library Info.
623   const TargetLibraryInfo *TLI;
624
625   /// Target Transform Info.
626   const TargetTransformInfo *TTI;
627
628   /// Assumption Cache.
629   AssumptionCache *AC;
630
631   /// Interface to emit optimization remarks.
632   OptimizationRemarkEmitter *ORE;
633
634   /// LoopVersioning.  It's only set up (non-null) if memchecks were
635   /// used.
636   ///
637   /// This is currently only used to add no-alias metadata based on the
638   /// memchecks.  The actually versioning is performed manually.
639   std::unique_ptr<LoopVersioning> LVer;
640
641   /// The vectorization SIMD factor to use. Each vector will have this many
642   /// vector elements.
643   unsigned VF;
644
645   /// The vectorization unroll factor to use. Each scalar is vectorized to this
646   /// many different vector instructions.
647   unsigned UF;
648
649   /// The builder that we use
650   IRBuilder<> Builder;
651
652   // --- Vectorization state ---
653
654   /// The vector-loop preheader.
655   BasicBlock *LoopVectorPreHeader;
656
657   /// The scalar-loop preheader.
658   BasicBlock *LoopScalarPreHeader;
659
660   /// Middle Block between the vector and the scalar.
661   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
662
663   /// The ExitBlock of the scalar loop.
664   BasicBlock *LoopExitBlock;
665
666   /// The vector loop body.
667   BasicBlock *LoopVectorBody;
668
669   /// The scalar loop body.
670   BasicBlock *LoopScalarBody;
671
672   /// A list of all bypass blocks. The first block is the entry of the loop.
673   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopBypassBlocks;
674
675   /// The new Induction variable which was added to the new block.
676   PHINode *Induction = nullptr;
677
678   /// The induction variable of the old basic block.
679   PHINode *OldInduction = nullptr;
680
681   /// Maps values from the original loop to their corresponding values in the
682   /// vectorized loop. A key value can map to either vector values, scalar
683   /// values or both kinds of values, depending on whether the key was
684   /// vectorized and scalarized.
685   VectorizerValueMap VectorLoopValueMap;
686
687   /// Store instructions that were predicated.
688   SmallVector<Instruction *, 4> PredicatedInstructions;
689
690   /// Trip count of the original loop.
691   Value *TripCount = nullptr;
692
693   /// Trip count of the widened loop (TripCount - TripCount % (VF*UF))
694   Value *VectorTripCount = nullptr;
695
696   /// The legality analysis.
697   LoopVectorizationLegality *Legal;
698
699   /// The profitablity analysis.
700   LoopVectorizationCostModel *Cost;
701
702   // Record whether runtime checks are added.
703   bool AddedSafetyChecks = false;
704
705   // Holds the end values for each induction variable. We save the end values
706   // so we can later fix-up the external users of the induction variables.
707   DenseMap<PHINode *, Value *> IVEndValues;
708 };
709
710 class InnerLoopUnroller : public InnerLoopVectorizer {
711 public:
712   InnerLoopUnroller(Loop *OrigLoop, PredicatedScalarEvolution &PSE,
713                     LoopInfo *LI, DominatorTree *DT,
714                     const TargetLibraryInfo *TLI,
715                     const TargetTransformInfo *TTI, AssumptionCache *AC,
716                     OptimizationRemarkEmitter *ORE, unsigned UnrollFactor,
717                     LoopVectorizationLegality *LVL,
718                     LoopVectorizationCostModel *CM)
719       : InnerLoopVectorizer(OrigLoop, PSE, LI, DT, TLI, TTI, AC, ORE, 1,
720                             UnrollFactor, LVL, CM) {}
721
722 private:
723   Value *getBroadcastInstrs(Value *V) override;
724   Value *getStepVector(Value *Val, int StartIdx, Value *Step,
725                        Instruction::BinaryOps Opcode =
726                        Instruction::BinaryOpsEnd) override;
727   Value *reverseVector(Value *Vec) override;
728 };
729
730 } // end namespace llvm
731
732 /// Look for a meaningful debug location on the instruction or it's
733 /// operands.
734 static Instruction *getDebugLocFromInstOrOperands(Instruction *I) {
735   if (!I)
736     return I;
737
738   DebugLoc Empty;
739   if (I->getDebugLoc() != Empty)
740     return I;
741
742   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), OE = I->op_end(); OI != OE; ++OI) {
743     if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
744       if (OpInst->getDebugLoc() != Empty)
745         return OpInst;
746   }
747
748   return I;
749 }
750
751 void InnerLoopVectorizer::setDebugLocFromInst(IRBuilder<> &B, const Value *Ptr) {
752   if (const Instruction *Inst = dyn_cast_or_null<Instruction>(Ptr)) {
753     const DILocation *DIL = Inst->getDebugLoc();
754     if (DIL && Inst->getFunction()->isDebugInfoForProfiling() &&
755         !isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
756       B.SetCurrentDebugLocation(DIL->cloneWithDuplicationFactor(UF * VF));
757     else
758       B.SetCurrentDebugLocation(DIL);
759   } else
760     B.SetCurrentDebugLocation(DebugLoc());
761 }
762
763 #ifndef NDEBUG
764 /// \return string containing a file name and a line # for the given loop.
765 static std::string getDebugLocString(const Loop *L) {
766   std::string Result;
767   if (L) {
768     raw_string_ostream OS(Result);
769     if (const DebugLoc LoopDbgLoc = L->getStartLoc())
770       LoopDbgLoc.print(OS);
771     else
772       // Just print the module name.
773       OS << L->getHeader()->getParent()->getParent()->getModuleIdentifier();
774     OS.flush();
775   }
776   return Result;
777 }
778 #endif
779
780 void InnerLoopVectorizer::addNewMetadata(Instruction *To,
781                                          const Instruction *Orig) {
782   // If the loop was versioned with memchecks, add the corresponding no-alias
783   // metadata.
784   if (LVer && (isa<LoadInst>(Orig) || isa<StoreInst>(Orig)))
785     LVer->annotateInstWithNoAlias(To, Orig);
786 }
787
788 void InnerLoopVectorizer::addMetadata(Instruction *To,
789                                       Instruction *From) {
790   propagateMetadata(To, From);
791   addNewMetadata(To, From);
792 }
793
794 void InnerLoopVectorizer::addMetadata(ArrayRef<Value *> To,
795                                       Instruction *From) {
796   for (Value *V : To) {
797     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
798       addMetadata(I, From);
799   }
800 }
801
802 namespace llvm {
803
804 /// The group of interleaved loads/stores sharing the same stride and
805 /// close to each other.
806 ///
807 /// Each member in this group has an index starting from 0, and the largest
808 /// index should be less than interleaved factor, which is equal to the absolute
809 /// value of the access's stride.
810 ///
811 /// E.g. An interleaved load group of factor 4:
812 ///        for (unsigned i = 0; i < 1024; i+=4) {
813 ///          a = A[i];                           // Member of index 0
814 ///          b = A[i+1];                         // Member of index 1
815 ///          d = A[i+3];                         // Member of index 3
816 ///          ...
817 ///        }
818 ///
819 ///      An interleaved store group of factor 4:
820 ///        for (unsigned i = 0; i < 1024; i+=4) {
821 ///          ...
822 ///          A[i]   = a;                         // Member of index 0
823 ///          A[i+1] = b;                         // Member of index 1
824 ///          A[i+2] = c;                         // Member of index 2
825 ///          A[i+3] = d;                         // Member of index 3
826 ///        }
827 ///
828 /// Note: the interleaved load group could have gaps (missing members), but
829 /// the interleaved store group doesn't allow gaps.
830 class InterleaveGroup {
831 public:
832   InterleaveGroup(Instruction *Instr, int Stride, unsigned Align)
833       : Align(Align), InsertPos(Instr) {
834     assert(Align && "The alignment should be non-zero");
835
836     Factor = std::abs(Stride);
837     assert(Factor > 1 && "Invalid interleave factor");
838
839     Reverse = Stride < 0;
840     Members[0] = Instr;
841   }
842
843   bool isReverse() const { return Reverse; }
844   unsigned getFactor() const { return Factor; }
845   unsigned getAlignment() const { return Align; }
846   unsigned getNumMembers() const { return Members.size(); }
847
848   /// Try to insert a new member \p Instr with index \p Index and
849   /// alignment \p NewAlign. The index is related to the leader and it could be
850   /// negative if it is the new leader.
851   ///
852   /// \returns false if the instruction doesn't belong to the group.
853   bool insertMember(Instruction *Instr, int Index, unsigned NewAlign) {
854     assert(NewAlign && "The new member's alignment should be non-zero");
855
856     int Key = Index + SmallestKey;
857
858     // Skip if there is already a member with the same index.
859     if (Members.count(Key))
860       return false;
861
862     if (Key > LargestKey) {
863       // The largest index is always less than the interleave factor.
864       if (Index >= static_cast<int>(Factor))
865         return false;
866
867       LargestKey = Key;
868     } else if (Key < SmallestKey) {
869       // The largest index is always less than the interleave factor.
870       if (LargestKey - Key >= static_cast<int>(Factor))
871         return false;
872
873       SmallestKey = Key;
874     }
875
876     // It's always safe to select the minimum alignment.
877     Align = std::min(Align, NewAlign);
878     Members[Key] = Instr;
879     return true;
880   }
881
882   /// Get the member with the given index \p Index
883   ///
884   /// \returns nullptr if contains no such member.
885   Instruction *getMember(unsigned Index) const {
886     int Key = SmallestKey + Index;
887     if (!Members.count(Key))
888       return nullptr;
889
890     return Members.find(Key)->second;
891   }
892
893   /// Get the index for the given member. Unlike the key in the member
894   /// map, the index starts from 0.
895   unsigned getIndex(Instruction *Instr) const {
896     for (auto I : Members)
897       if (I.second == Instr)
898         return I.first - SmallestKey;
899
900     llvm_unreachable("InterleaveGroup contains no such member");
901   }
902
903   Instruction *getInsertPos() const { return InsertPos; }
904   void setInsertPos(Instruction *Inst) { InsertPos = Inst; }
905
906   /// Add metadata (e.g. alias info) from the instructions in this group to \p
907   /// NewInst.
908   ///
909   /// FIXME: this function currently does not add noalias metadata a'la
910   /// addNewMedata.  To do that we need to compute the intersection of the
911   /// noalias info from all members.
912   void addMetadata(Instruction *NewInst) const {
913     SmallVector<Value *, 4> VL;
914     std::transform(Members.begin(), Members.end(), std::back_inserter(VL),
915                    [](std::pair<int, Instruction *> p) { return p.second; });
916     propagateMetadata(NewInst, VL);
917   }
918
919 private:
920   unsigned Factor; // Interleave Factor.
921   bool Reverse;
922   unsigned Align;
923   DenseMap<int, Instruction *> Members;
924   int SmallestKey = 0;
925   int LargestKey = 0;
926
927   // To avoid breaking dependences, vectorized instructions of an interleave
928   // group should be inserted at either the first load or the last store in
929   // program order.
930   //
931   // E.g. %even = load i32             // Insert Position
932   //      %add = add i32 %even         // Use of %even
933   //      %odd = load i32
934   //
935   //      store i32 %even
936   //      %odd = add i32               // Def of %odd
937   //      store i32 %odd               // Insert Position
938   Instruction *InsertPos;
939 };
940 } // end namespace llvm
941
942 namespace {
943
944 /// Drive the analysis of interleaved memory accesses in the loop.
945 ///
946 /// Use this class to analyze interleaved accesses only when we can vectorize
947 /// a loop. Otherwise it's meaningless to do analysis as the vectorization
948 /// on interleaved accesses is unsafe.
949 ///
950 /// The analysis collects interleave groups and records the relationships
951 /// between the member and the group in a map.
952 class InterleavedAccessInfo {
953 public:
954   InterleavedAccessInfo(PredicatedScalarEvolution &PSE, Loop *L,
955                         DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
956                         const LoopAccessInfo *LAI)
957     : PSE(PSE), TheLoop(L), DT(DT), LI(LI), LAI(LAI) {}
958
959   ~InterleavedAccessInfo() {
960     SmallPtrSet<InterleaveGroup *, 4> DelSet;
961     // Avoid releasing a pointer twice.
962     for (auto &I : InterleaveGroupMap)
963       DelSet.insert(I.second);
964     for (auto *Ptr : DelSet)
965       delete Ptr;
966   }
967
968   /// Analyze the interleaved accesses and collect them in interleave
969   /// groups. Substitute symbolic strides using \p Strides.
970   void analyzeInterleaving();
971
972   /// Check if \p Instr belongs to any interleave group.
973   bool isInterleaved(Instruction *Instr) const {
974     return InterleaveGroupMap.count(Instr);
975   }
976
977   /// Get the interleave group that \p Instr belongs to.
978   ///
979   /// \returns nullptr if doesn't have such group.
980   InterleaveGroup *getInterleaveGroup(Instruction *Instr) const {
981     if (InterleaveGroupMap.count(Instr))
982       return InterleaveGroupMap.find(Instr)->second;
983     return nullptr;
984   }
985
986   /// Returns true if an interleaved group that may access memory
987   /// out-of-bounds requires a scalar epilogue iteration for correctness.
988   bool requiresScalarEpilogue() const { return RequiresScalarEpilogue; }
989
990 private:
991   /// A wrapper around ScalarEvolution, used to add runtime SCEV checks.
992   /// Simplifies SCEV expressions in the context of existing SCEV assumptions.
993   /// The interleaved access analysis can also add new predicates (for example
994   /// by versioning strides of pointers).
995   PredicatedScalarEvolution &PSE;
996
997   Loop *TheLoop;
998   DominatorTree *DT;
999   LoopInfo *LI;
1000   const LoopAccessInfo *LAI;
1001
1002   /// True if the loop may contain non-reversed interleaved groups with
1003   /// out-of-bounds accesses. We ensure we don't speculatively access memory
1004   /// out-of-bounds by executing at least one scalar epilogue iteration.
1005   bool RequiresScalarEpilogue = false;
1006
1007   /// Holds the relationships between the members and the interleave group.
1008   DenseMap<Instruction *, InterleaveGroup *> InterleaveGroupMap;
1009
1010   /// Holds dependences among the memory accesses in the loop. It maps a source
1011   /// access to a set of dependent sink accesses.
1012   DenseMap<Instruction *, SmallPtrSet<Instruction *, 2>> Dependences;
1013
1014   /// The descriptor for a strided memory access.
1015   struct StrideDescriptor {
1016     StrideDescriptor() = default;
1017     StrideDescriptor(int64_t Stride, const SCEV *Scev, uint64_t Size,
1018                      unsigned Align)
1019         : Stride(Stride), Scev(Scev), Size(Size), Align(Align) {}
1020
1021     // The access's stride. It is negative for a reverse access.
1022     int64_t Stride = 0;
1023
1024     // The scalar expression of this access.
1025     const SCEV *Scev = nullptr;
1026
1027     // The size of the memory object.
1028     uint64_t Size = 0;
1029
1030     // The alignment of this access.
1031     unsigned Align = 0;
1032   };
1033
1034   /// A type for holding instructions and their stride descriptors.
1035   using StrideEntry = std::pair<Instruction *, StrideDescriptor>;
1036
1037   /// Create a new interleave group with the given instruction \p Instr,
1038   /// stride \p Stride and alignment \p Align.
1039   ///
1040   /// \returns the newly created interleave group.
1041   InterleaveGroup *createInterleaveGroup(Instruction *Instr, int Stride,
1042                                          unsigned Align) {
1043     assert(!InterleaveGroupMap.count(Instr) &&
1044            "Already in an interleaved access group");
1045     InterleaveGroupMap[Instr] = new InterleaveGroup(Instr, Stride, Align);
1046     return InterleaveGroupMap[Instr];
1047   }
1048
1049   /// Release the group and remove all the relationships.
1050   void releaseGroup(InterleaveGroup *Group) {
1051     for (unsigned i = 0; i < Group->getFactor(); i++)
1052       if (Instruction *Member = Group->getMember(i))
1053         InterleaveGroupMap.erase(Member);
1054
1055     delete Group;
1056   }
1057
1058   /// Collect all the accesses with a constant stride in program order.
1059   void collectConstStrideAccesses(
1060       MapVector<Instruction *, StrideDescriptor> &AccessStrideInfo,
1061       const ValueToValueMap &Strides);
1062
1063   /// Returns true if \p Stride is allowed in an interleaved group.
1064   static bool isStrided(int Stride) {
1065     unsigned Factor = std::abs(Stride);
1066     return Factor >= 2 && Factor <= MaxInterleaveGroupFactor;
1067   }
1068
1069   /// Returns true if \p BB is a predicated block.
1070   bool isPredicated(BasicBlock *BB) const {
1071     return LoopAccessInfo::blockNeedsPredication(BB, TheLoop, DT);
1072   }
1073
1074   /// Returns true if LoopAccessInfo can be used for dependence queries.
1075   bool areDependencesValid() const {
1076     return LAI && LAI->getDepChecker().getDependences();
1077   }
1078
1079   /// Returns true if memory accesses \p A and \p B can be reordered, if
1080   /// necessary, when constructing interleaved groups.
1081   ///
1082   /// \p A must precede \p B in program order. We return false if reordering is
1083   /// not necessary or is prevented because \p A and \p B may be dependent.
1084   bool canReorderMemAccessesForInterleavedGroups(StrideEntry *A,
1085                                                  StrideEntry *B) const {
1086     // Code motion for interleaved accesses can potentially hoist strided loads
1087     // and sink strided stores. The code below checks the legality of the
1088     // following two conditions:
1089     //
1090     // 1. Potentially moving a strided load (B) before any store (A) that
1091     //    precedes B, or
1092     //
1093     // 2. Potentially moving a strided store (A) after any load or store (B)
1094     //    that A precedes.
1095     //
1096     // It's legal to reorder A and B if we know there isn't a dependence from A
1097     // to B. Note that this determination is conservative since some
1098     // dependences could potentially be reordered safely.
1099
1100     // A is potentially the source of a dependence.
1101     auto *Src = A->first;
1102     auto SrcDes = A->second;
1103
1104     // B is potentially the sink of a dependence.
1105     auto *Sink = B->first;
1106     auto SinkDes = B->second;
1107
1108     // Code motion for interleaved accesses can't violate WAR dependences.
1109     // Thus, reordering is legal if the source isn't a write.
1110     if (!Src->mayWriteToMemory())
1111       return true;
1112
1113     // At least one of the accesses must be strided.
1114     if (!isStrided(SrcDes.Stride) && !isStrided(SinkDes.Stride))
1115       return true;
1116
1117     // If dependence information is not available from LoopAccessInfo,
1118     // conservatively assume the instructions can't be reordered.
1119     if (!areDependencesValid())
1120       return false;
1121
1122     // If we know there is a dependence from source to sink, assume the
1123     // instructions can't be reordered. Otherwise, reordering is legal.
1124     return !Dependences.count(Src) || !Dependences.lookup(Src).count(Sink);
1125   }
1126
1127   /// Collect the dependences from LoopAccessInfo.
1128   ///
1129   /// We process the dependences once during the interleaved access analysis to
1130   /// enable constant-time dependence queries.
1131   void collectDependences() {
1132     if (!areDependencesValid())
1133       return;
1134     auto *Deps = LAI->getDepChecker().getDependences();
1135     for (auto Dep : *Deps)
1136       Dependences[Dep.getSource(*LAI)].insert(Dep.getDestination(*LAI));
1137   }
1138 };
1139
1140 } // end anonymous namespace
1141
1142 static void emitMissedWarning(Function *F, Loop *L,
1143                               const LoopVectorizeHints &LH,
1144                               OptimizationRemarkEmitter *ORE) {
1145   LH.emitRemarkWithHints();
1146
1147   if (LH.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1148     if (LH.getWidth() != 1)
1149       ORE->emit(DiagnosticInfoOptimizationFailure(
1150                     DEBUG_TYPE, "FailedRequestedVectorization",
1151                     L->getStartLoc(), L->getHeader())
1152                 << "loop not vectorized: "
1153                 << "failed explicitly specified loop vectorization");
1154     else if (LH.getInterleave() != 1)
1155       ORE->emit(DiagnosticInfoOptimizationFailure(
1156                     DEBUG_TYPE, "FailedRequestedInterleaving", L->getStartLoc(),
1157                     L->getHeader())
1158                 << "loop not interleaved: "
1159                 << "failed explicitly specified loop interleaving");
1160   }
1161 }
1162
1163 namespace llvm {
1164
1165 /// LoopVectorizationCostModel - estimates the expected speedups due to
1166 /// vectorization.
1167 /// In many cases vectorization is not profitable. This can happen because of
1168 /// a number of reasons. In this class we mainly attempt to predict the
1169 /// expected speedup/slowdowns due to the supported instruction set. We use the
1170 /// TargetTransformInfo to query the different backends for the cost of
1171 /// different operations.
1172 class LoopVectorizationCostModel {
1173 public:
1174   LoopVectorizationCostModel(Loop *L, PredicatedScalarEvolution &PSE,
1175                              LoopInfo *LI, LoopVectorizationLegality *Legal,
1176                              const TargetTransformInfo &TTI,
1177                              const TargetLibraryInfo *TLI, DemandedBits *DB,
1178                              AssumptionCache *AC,
1179                              OptimizationRemarkEmitter *ORE, const Function *F,
1180                              const LoopVectorizeHints *Hints,
1181                              InterleavedAccessInfo &IAI)
1182       : TheLoop(L), PSE(PSE), LI(LI), Legal(Legal), TTI(TTI), TLI(TLI), DB(DB),
1183     AC(AC), ORE(ORE), TheFunction(F), Hints(Hints), InterleaveInfo(IAI) {}
1184
1185   /// \return An upper bound for the vectorization factor, or None if
1186   /// vectorization should be avoided up front.
1187   Optional<unsigned> computeMaxVF(bool OptForSize);
1188
1189   /// \return The most profitable vectorization factor and the cost of that VF.
1190   /// This method checks every power of two up to MaxVF. If UserVF is not ZERO
1191   /// then this vectorization factor will be selected if vectorization is
1192   /// possible.
1193   VectorizationFactor selectVectorizationFactor(unsigned MaxVF);
1194
1195   /// Setup cost-based decisions for user vectorization factor.
1196   void selectUserVectorizationFactor(unsigned UserVF) {
1197     collectUniformsAndScalars(UserVF);
1198     collectInstsToScalarize(UserVF);
1199   }
1200
1201   /// \return The size (in bits) of the smallest and widest types in the code
1202   /// that needs to be vectorized. We ignore values that remain scalar such as
1203   /// 64 bit loop indices.
1204   std::pair<unsigned, unsigned> getSmallestAndWidestTypes();
1205
1206   /// \return The desired interleave count.
1207   /// If interleave count has been specified by metadata it will be returned.
1208   /// Otherwise, the interleave count is computed and returned. VF and LoopCost
1209   /// are the selected vectorization factor and the cost of the selected VF.
1210   unsigned selectInterleaveCount(bool OptForSize, unsigned VF,
1211                                  unsigned LoopCost);
1212
1213   /// Memory access instruction may be vectorized in more than one way.
1214   /// Form of instruction after vectorization depends on cost.
1215   /// This function takes cost-based decisions for Load/Store instructions
1216   /// and collects them in a map. This decisions map is used for building
1217   /// the lists of loop-uniform and loop-scalar instructions.
1218   /// The calculated cost is saved with widening decision in order to
1219   /// avoid redundant calculations.
1220   void setCostBasedWideningDecision(unsigned VF);
1221
1222   /// A struct that represents some properties of the register usage
1223   /// of a loop.
1224   struct RegisterUsage {
1225     /// Holds the number of loop invariant values that are used in the loop.
1226     unsigned LoopInvariantRegs;
1227
1228     /// Holds the maximum number of concurrent live intervals in the loop.
1229     unsigned MaxLocalUsers;
1230   };
1231
1232   /// \return Returns information about the register usages of the loop for the
1233   /// given vectorization factors.
1234   SmallVector<RegisterUsage, 8> calculateRegisterUsage(ArrayRef<unsigned> VFs);
1235
1236   /// Collect values we want to ignore in the cost model.
1237   void collectValuesToIgnore();
1238
1239   /// \returns The smallest bitwidth each instruction can be represented with.
1240   /// The vector equivalents of these instructions should be truncated to this
1241   /// type.
1242   const MapVector<Instruction *, uint64_t> &getMinimalBitwidths() const {
1243     return MinBWs;
1244   }
1245
1246   /// \returns True if it is more profitable to scalarize instruction \p I for
1247   /// vectorization factor \p VF.
1248   bool isProfitableToScalarize(Instruction *I, unsigned VF) const {
1249     assert(VF > 1 && "Profitable to scalarize relevant only for VF > 1.");
1250     auto Scalars = InstsToScalarize.find(VF);
1251     assert(Scalars != InstsToScalarize.end() &&
1252            "VF not yet analyzed for scalarization profitability");
1253     return Scalars->second.count(I);
1254   }
1255
1256   /// Returns true if \p I is known to be uniform after vectorization.
1257   bool isUniformAfterVectorization(Instruction *I, unsigned VF) const {
1258     if (VF == 1)
1259       return true;
1260     assert(Uniforms.count(VF) && "VF not yet analyzed for uniformity");
1261     auto UniformsPerVF = Uniforms.find(VF);
1262     return UniformsPerVF->second.count(I);
1263   }
1264
1265   /// Returns true if \p I is known to be scalar after vectorization.
1266   bool isScalarAfterVectorization(Instruction *I, unsigned VF) const {
1267     if (VF == 1)
1268       return true;
1269     assert(Scalars.count(VF) && "Scalar values are not calculated for VF");
1270     auto ScalarsPerVF = Scalars.find(VF);
1271     return ScalarsPerVF->second.count(I);
1272   }
1273
1274   /// \returns True if instruction \p I can be truncated to a smaller bitwidth
1275   /// for vectorization factor \p VF.
1276   bool canTruncateToMinimalBitwidth(Instruction *I, unsigned VF) const {
1277     return VF > 1 && MinBWs.count(I) && !isProfitableToScalarize(I, VF) &&
1278            !isScalarAfterVectorization(I, VF);
1279   }
1280
1281   /// Decision that was taken during cost calculation for memory instruction.
1282   enum InstWidening {
1283     CM_Unknown,
1284     CM_Widen,         // For consecutive accesses with stride +1.
1285     CM_Widen_Reverse, // For consecutive accesses with stride -1.
1286     CM_Interleave,
1287     CM_GatherScatter,
1288     CM_Scalarize
1289   };
1290
1291   /// Save vectorization decision \p W and \p Cost taken by the cost model for
1292   /// instruction \p I and vector width \p VF.
1293   void setWideningDecision(Instruction *I, unsigned VF, InstWidening W,
1294                            unsigned Cost) {
1295     assert(VF >= 2 && "Expected VF >=2");
1296     WideningDecisions[std::make_pair(I, VF)] = std::make_pair(W, Cost);
1297   }
1298
1299   /// Save vectorization decision \p W and \p Cost taken by the cost model for
1300   /// interleaving group \p Grp and vector width \p VF.
1301   void setWideningDecision(const InterleaveGroup *Grp, unsigned VF,
1302                            InstWidening W, unsigned Cost) {
1303     assert(VF >= 2 && "Expected VF >=2");
1304     /// Broadcast this decicion to all instructions inside the group.
1305     /// But the cost will be assigned to one instruction only.
1306     for (unsigned i = 0; i < Grp->getFactor(); ++i) {
1307       if (auto *I = Grp->getMember(i)) {
1308         if (Grp->getInsertPos() == I)
1309           WideningDecisions[std::make_pair(I, VF)] = std::make_pair(W, Cost);
1310         else
1311           WideningDecisions[std::make_pair(I, VF)] = std::make_pair(W, 0);
1312       }
1313     }
1314   }
1315
1316   /// Return the cost model decision for the given instruction \p I and vector
1317   /// width \p VF. Return CM_Unknown if this instruction did not pass
1318   /// through the cost modeling.
1319   InstWidening getWideningDecision(Instruction *I, unsigned VF) {
1320     assert(VF >= 2 && "Expected VF >=2");
1321     std::pair<Instruction *, unsigned> InstOnVF = std::make_pair(I, VF);
1322     auto Itr = WideningDecisions.find(InstOnVF);
1323     if (Itr == WideningDecisions.end())
1324       return CM_Unknown;
1325     return Itr->second.first;
1326   }
1327
1328   /// Return the vectorization cost for the given instruction \p I and vector
1329   /// width \p VF.
1330   unsigned getWideningCost(Instruction *I, unsigned VF) {
1331     assert(VF >= 2 && "Expected VF >=2");
1332     std::pair<Instruction *, unsigned> InstOnVF = std::make_pair(I, VF);
1333     assert(WideningDecisions.count(InstOnVF) && "The cost is not calculated");
1334     return WideningDecisions[InstOnVF].second;
1335   }
1336
1337   /// Return True if instruction \p I is an optimizable truncate whose operand
1338   /// is an induction variable. Such a truncate will be removed by adding a new
1339   /// induction variable with the destination type.
1340   bool isOptimizableIVTruncate(Instruction *I, unsigned VF) {
1341     // If the instruction is not a truncate, return false.
1342     auto *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(I);
1343     if (!Trunc)
1344       return false;
1345
1346     // Get the source and destination types of the truncate.
1347     Type *SrcTy = ToVectorTy(cast<CastInst>(I)->getSrcTy(), VF);
1348     Type *DestTy = ToVectorTy(cast<CastInst>(I)->getDestTy(), VF);
1349
1350     // If the truncate is free for the given types, return false. Replacing a
1351     // free truncate with an induction variable would add an induction variable
1352     // update instruction to each iteration of the loop. We exclude from this
1353     // check the primary induction variable since it will need an update
1354     // instruction regardless.
1355     Value *Op = Trunc->getOperand(0);
1356     if (Op != Legal->getPrimaryInduction() && TTI.isTruncateFree(SrcTy, DestTy))
1357       return false;
1358
1359     // If the truncated value is not an induction variable, return false.
1360     return Legal->isInductionPhi(Op);
1361   }
1362
1363   /// Collects the instructions to scalarize for each predicated instruction in
1364   /// the loop.
1365   void collectInstsToScalarize(unsigned VF);
1366
1367   /// Collect Uniform and Scalar values for the given \p VF.
1368   /// The sets depend on CM decision for Load/Store instructions
1369   /// that may be vectorized as interleave, gather-scatter or scalarized.
1370   void collectUniformsAndScalars(unsigned VF) {
1371     // Do the analysis once.
1372     if (VF == 1 || Uniforms.count(VF))
1373       return;
1374     setCostBasedWideningDecision(VF);
1375     collectLoopUniforms(VF);
1376     collectLoopScalars(VF);
1377   }
1378
1379   /// Returns true if the target machine supports masked store operation
1380   /// for the given \p DataType and kind of access to \p Ptr.
1381   bool isLegalMaskedStore(Type *DataType, Value *Ptr) {
1382     return Legal->isConsecutivePtr(Ptr) && TTI.isLegalMaskedStore(DataType);
1383   }
1384
1385   /// Returns true if the target machine supports masked load operation
1386   /// for the given \p DataType and kind of access to \p Ptr.
1387   bool isLegalMaskedLoad(Type *DataType, Value *Ptr) {
1388     return Legal->isConsecutivePtr(Ptr) && TTI.isLegalMaskedLoad(DataType);
1389   }
1390
1391   /// Returns true if the target machine supports masked scatter operation
1392   /// for the given \p DataType.
1393   bool isLegalMaskedScatter(Type *DataType) {
1394     return TTI.isLegalMaskedScatter(DataType);
1395   }
1396
1397   /// Returns true if the target machine supports masked gather operation
1398   /// for the given \p DataType.
1399   bool isLegalMaskedGather(Type *DataType) {
1400     return TTI.isLegalMaskedGather(DataType);
1401   }
1402
1403   /// Returns true if the target machine can represent \p V as a masked gather
1404   /// or scatter operation.
1405   bool isLegalGatherOrScatter(Value *V) {
1406     bool LI = isa<LoadInst>(V);
1407     bool SI = isa<StoreInst>(V);
1408     if (!LI && !SI)
1409       return false;
1410     auto *Ty = getMemInstValueType(V);
1411     return (LI && isLegalMaskedGather(Ty)) || (SI && isLegalMaskedScatter(Ty));
1412   }
1413
1414   /// Returns true if \p I is an instruction that will be scalarized with
1415   /// predication. Such instructions include conditional stores and
1416   /// instructions that may divide by zero.
1417   bool isScalarWithPredication(Instruction *I);
1418
1419   /// Returns true if \p I is a memory instruction with consecutive memory
1420   /// access that can be widened.
1421   bool memoryInstructionCanBeWidened(Instruction *I, unsigned VF = 1);
1422
1423   /// Check if \p Instr belongs to any interleaved access group.
1424   bool isAccessInterleaved(Instruction *Instr) {
1425     return InterleaveInfo.isInterleaved(Instr);
1426   }
1427
1428   /// Get the interleaved access group that \p Instr belongs to.
1429   const InterleaveGroup *getInterleavedAccessGroup(Instruction *Instr) {
1430     return InterleaveInfo.getInterleaveGroup(Instr);
1431   }
1432
1433   /// Returns true if an interleaved group requires a scalar iteration
1434   /// to handle accesses with gaps.
1435   bool requiresScalarEpilogue() const {
1436     return InterleaveInfo.requiresScalarEpilogue();
1437   }
1438
1439 private:
1440   unsigned NumPredStores = 0;
1441
1442   /// \return An upper bound for the vectorization factor, larger than zero.
1443   /// One is returned if vectorization should best be avoided due to cost.
1444   unsigned computeFeasibleMaxVF(bool OptForSize, unsigned ConstTripCount);
1445
1446   /// The vectorization cost is a combination of the cost itself and a boolean
1447   /// indicating whether any of the contributing operations will actually
1448   /// operate on
1449   /// vector values after type legalization in the backend. If this latter value
1450   /// is
1451   /// false, then all operations will be scalarized (i.e. no vectorization has
1452   /// actually taken place).
1453   using VectorizationCostTy = std::pair<unsigned, bool>;
1454
1455   /// Returns the expected execution cost. The unit of the cost does
1456   /// not matter because we use the 'cost' units to compare different
1457   /// vector widths. The cost that is returned is *not* normalized by
1458   /// the factor width.
1459   VectorizationCostTy expectedCost(unsigned VF);
1460
1461   /// Returns the execution time cost of an instruction for a given vector
1462   /// width. Vector width of one means scalar.
1463   VectorizationCostTy getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
1464
1465   /// The cost-computation logic from getInstructionCost which provides
1466   /// the vector type as an output parameter.
1467   unsigned getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF, Type *&VectorTy);
1468
1469   /// Calculate vectorization cost of memory instruction \p I.
1470   unsigned getMemoryInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
1471
1472   /// The cost computation for scalarized memory instruction.
1473   unsigned getMemInstScalarizationCost(Instruction *I, unsigned VF);
1474
1475   /// The cost computation for interleaving group of memory instructions.
1476   unsigned getInterleaveGroupCost(Instruction *I, unsigned VF);
1477
1478   /// The cost computation for Gather/Scatter instruction.
1479   unsigned getGatherScatterCost(Instruction *I, unsigned VF);
1480
1481   /// The cost computation for widening instruction \p I with consecutive
1482   /// memory access.
1483   unsigned getConsecutiveMemOpCost(Instruction *I, unsigned VF);
1484
1485   /// The cost calculation for Load instruction \p I with uniform pointer -
1486   /// scalar load + broadcast.
1487   unsigned getUniformMemOpCost(Instruction *I, unsigned VF);
1488
1489   /// Returns whether the instruction is a load or store and will be a emitted
1490   /// as a vector operation.
1491   bool isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *I);
1492
1493   /// Returns true if an artificially high cost for emulated masked memrefs
1494   /// should be used.
1495   bool useEmulatedMaskMemRefHack(Instruction *I);
1496
1497   /// Create an analysis remark that explains why vectorization failed
1498   ///
1499   /// \p RemarkName is the identifier for the remark.  \return the remark object
1500   /// that can be streamed to.
1501   OptimizationRemarkAnalysis createMissedAnalysis(StringRef RemarkName) {
1502     return createLVMissedAnalysis(Hints->vectorizeAnalysisPassName(),
1503                                   RemarkName, TheLoop);
1504   }
1505
1506   /// Map of scalar integer values to the smallest bitwidth they can be legally
1507   /// represented as. The vector equivalents of these values should be truncated
1508   /// to this type.
1509   MapVector<Instruction *, uint64_t> MinBWs;
1510
1511   /// A type representing the costs for instructions if they were to be
1512   /// scalarized rather than vectorized. The entries are Instruction-Cost
1513   /// pairs.
1514   using ScalarCostsTy = DenseMap<Instruction *, unsigned>;
1515
1516   /// A set containing all BasicBlocks that are known to present after
1517   /// vectorization as a predicated block.
1518   SmallPtrSet<BasicBlock *, 4> PredicatedBBsAfterVectorization;
1519
1520   /// A map holding scalar costs for different vectorization factors. The
1521   /// presence of a cost for an instruction in the mapping indicates that the
1522   /// instruction will be scalarized when vectorizing with the associated
1523   /// vectorization factor. The entries are VF-ScalarCostTy pairs.
1524   DenseMap<unsigned, ScalarCostsTy> InstsToScalarize;
1525
1526   /// Holds the instructions known to be uniform after vectorization.
1527   /// The data is collected per VF.
1528   DenseMap<unsigned, SmallPtrSet<Instruction *, 4>> Uniforms;
1529
1530   /// Holds the instructions known to be scalar after vectorization.
1531   /// The data is collected per VF.
1532   DenseMap<unsigned, SmallPtrSet<Instruction *, 4>> Scalars;
1533
1534   /// Holds the instructions (address computations) that are forced to be
1535   /// scalarized.
1536   DenseMap<unsigned, SmallPtrSet<Instruction *, 4>> ForcedScalars;
1537
1538   /// Returns the expected difference in cost from scalarizing the expression
1539   /// feeding a predicated instruction \p PredInst. The instructions to
1540   /// scalarize and their scalar costs are collected in \p ScalarCosts. A
1541   /// non-negative return value implies the expression will be scalarized.
1542   /// Currently, only single-use chains are considered for scalarization.
1543   int computePredInstDiscount(Instruction *PredInst, ScalarCostsTy &ScalarCosts,
1544                               unsigned VF);
1545
1546   /// Collect the instructions that are uniform after vectorization. An
1547   /// instruction is uniform if we represent it with a single scalar value in
1548   /// the vectorized loop corresponding to each vector iteration. Examples of
1549   /// uniform instructions include pointer operands of consecutive or
1550   /// interleaved memory accesses. Note that although uniformity implies an
1551   /// instruction will be scalar, the reverse is not true. In general, a
1552   /// scalarized instruction will be represented by VF scalar values in the
1553   /// vectorized loop, each corresponding to an iteration of the original
1554   /// scalar loop.
1555   void collectLoopUniforms(unsigned VF);
1556
1557   /// Collect the instructions that are scalar after vectorization. An
1558   /// instruction is scalar if it is known to be uniform or will be scalarized
1559   /// during vectorization. Non-uniform scalarized instructions will be
1560   /// represented by VF values in the vectorized loop, each corresponding to an
1561   /// iteration of the original scalar loop.
1562   void collectLoopScalars(unsigned VF);
1563
1564   /// Keeps cost model vectorization decision and cost for instructions.
1565   /// Right now it is used for memory instructions only.
1566   using DecisionList = DenseMap<std::pair<Instruction *, unsigned>,
1567                                 std::pair<InstWidening, unsigned>>;
1568
1569   DecisionList WideningDecisions;
1570
1571 public:
1572   /// The loop that we evaluate.
1573   Loop *TheLoop;
1574
1575   /// Predicated scalar evolution analysis.
1576   PredicatedScalarEvolution &PSE;
1577
1578   /// Loop Info analysis.
1579   LoopInfo *LI;
1580
1581   /// Vectorization legality.
1582   LoopVectorizationLegality *Legal;
1583
1584   /// Vector target information.
1585   const TargetTransformInfo &TTI;
1586
1587   /// Target Library Info.
1588   const TargetLibraryInfo *TLI;
1589
1590   /// Demanded bits analysis.
1591   DemandedBits *DB;
1592
1593   /// Assumption cache.
1594   AssumptionCache *AC;
1595
1596   /// Interface to emit optimization remarks.
1597   OptimizationRemarkEmitter *ORE;
1598
1599   const Function *TheFunction;
1600
1601   /// Loop Vectorize Hint.
1602   const LoopVectorizeHints *Hints;
1603
1604   /// The interleave access information contains groups of interleaved accesses
1605   /// with the same stride and close to each other.
1606   InterleavedAccessInfo &InterleaveInfo;
1607
1608   /// Values to ignore in the cost model.
1609   SmallPtrSet<const Value *, 16> ValuesToIgnore;
1610
1611   /// Values to ignore in the cost model when VF > 1.
1612   SmallPtrSet<const Value *, 16> VecValuesToIgnore;
1613 };
1614
1615 } // end namespace llvm
1616
1617 // Return true if \p OuterLp is an outer loop annotated with hints for explicit
1618 // vectorization. The loop needs to be annotated with #pragma omp simd
1619 // simdlen(#) or #pragma clang vectorize(enable) vectorize_width(#). If the
1620 // vector length information is not provided, vectorization is not considered
1621 // explicit. Interleave hints are not allowed either. These limitations will be
1622 // relaxed in the future.
1623 // Please, note that we are currently forced to abuse the pragma 'clang
1624 // vectorize' semantics. This pragma provides *auto-vectorization hints*
1625 // (i.e., LV must check that vectorization is legal) whereas pragma 'omp simd'
1626 // provides *explicit vectorization hints* (LV can bypass legal checks and
1627 // assume that vectorization is legal). However, both hints are implemented
1628 // using the same metadata (llvm.loop.vectorize, processed by
1629 // LoopVectorizeHints). This will be fixed in the future when the native IR
1630 // representation for pragma 'omp simd' is introduced.
1631 static bool isExplicitVecOuterLoop(Loop *OuterLp,
1632                                    OptimizationRemarkEmitter *ORE) {
1633   assert(!OuterLp->empty() && "This is not an outer loop");
1634   LoopVectorizeHints Hints(OuterLp, true /*DisableInterleaving*/, *ORE);
1635
1636   // Only outer loops with an explicit vectorization hint are supported.
1637   // Unannotated outer loops are ignored.
1638   if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Undefined)
1639     return false;
1640
1641   Function *Fn = OuterLp->getHeader()->getParent();
1642   if (!Hints.allowVectorization(Fn, OuterLp, false /*AlwaysVectorize*/)) {
1643     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Loop hints prevent outer loop vectorization.\n");
1644     return false;
1645   }
1646
1647   if (!Hints.getWidth()) {
1648     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: No user vector width.\n");
1649     emitMissedWarning(Fn, OuterLp, Hints, ORE);
1650     return false;
1651   }
1652
1653   if (Hints.getInterleave() > 1) {
1654     // TODO: Interleave support is future work.
1655     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Interleave is not supported for "
1656                          "outer loops.\n");
1657     emitMissedWarning(Fn, OuterLp, Hints, ORE);
1658     return false;
1659   }
1660
1661   return true;
1662 }
1663
1664 static void collectSupportedLoops(Loop &L, LoopInfo *LI,
1665                                   OptimizationRemarkEmitter *ORE,
1666                                   SmallVectorImpl<Loop *> &V) {
1667   // Collect inner loops and outer loops without irreducible control flow. For
1668   // now, only collect outer loops that have explicit vectorization hints. If we
1669   // are stress testing the VPlan H-CFG construction, we collect the outermost
1670   // loop of every loop nest.
1671   if (L.empty() || VPlanBuildStressTest ||
1672       (EnableVPlanNativePath && isExplicitVecOuterLoop(&L, ORE))) {
1673     LoopBlocksRPO RPOT(&L);
1674     RPOT.perform(LI);
1675     if (!containsIrreducibleCFG<const BasicBlock *>(RPOT, *LI)) {
1676       V.push_back(&L);
1677       // TODO: Collect inner loops inside marked outer loops in case
1678       // vectorization fails for the outer loop. Do not invoke
1679       // 'containsIrreducibleCFG' again for inner loops when the outer loop is
1680       // already known to be reducible. We can use an inherited attribute for
1681       // that.
1682       return;
1683     }
1684   }
1685   for (Loop *InnerL : L)
1686     collectSupportedLoops(*InnerL, LI, ORE, V);
1687 }
1688
1689 namespace {
1690
1691 /// The LoopVectorize Pass.
1692 struct LoopVectorize : public FunctionPass {
1693   /// Pass identification, replacement for typeid
1694   static char ID;
1695
1696   LoopVectorizePass Impl;
1697
1698   explicit LoopVectorize(bool NoUnrolling = false, bool AlwaysVectorize = true)
1699       : FunctionPass(ID) {
1700     Impl.DisableUnrolling = NoUnrolling;
1701     Impl.AlwaysVectorize = AlwaysVectorize;
1702     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1703   }
1704
1705   bool runOnFunction(Function &F) override {
1706     if (skipFunction(F))
1707       return false;
1708
1709     auto *SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1710     auto *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1711     auto *TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
1712     auto *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1713     auto *BFI = &getAnalysis<BlockFrequencyInfoWrapperPass>().getBFI();
1714     auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1715     auto *TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
1716     auto *AA = &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults();
1717     auto *AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
1718     auto *LAA = &getAnalysis<LoopAccessLegacyAnalysis>();
1719     auto *DB = &getAnalysis<DemandedBitsWrapperPass>().getDemandedBits();
1720     auto *ORE = &getAnalysis<OptimizationRemarkEmitterWrapperPass>().getORE();
1721
1722     std::function<const LoopAccessInfo &(Loop &)> GetLAA =
1723         [&](Loop &L) -> const LoopAccessInfo & { return LAA->getInfo(&L); };
1724
1725     return Impl.runImpl(F, *SE, *LI, *TTI, *DT, *BFI, TLI, *DB, *AA, *AC,
1726                         GetLAA, *ORE);
1727   }
1728
1729   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1730     AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
1731     AU.addRequired<BlockFrequencyInfoWrapperPass>();
1732     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
1733     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
1734     AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
1735     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
1736     AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
1737     AU.addRequired<LoopAccessLegacyAnalysis>();
1738     AU.addRequired<DemandedBitsWrapperPass>();
1739     AU.addRequired<OptimizationRemarkEmitterWrapperPass>();
1740     AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
1741     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
1742     AU.addPreserved<BasicAAWrapperPass>();
1743     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
1744   }
1745 };
1746
1747 } // end anonymous namespace
1748
1749 //===----------------------------------------------------------------------===//
1750 // Implementation of LoopVectorizationLegality, InnerLoopVectorizer and
1751 // LoopVectorizationCostModel and LoopVectorizationPlanner.
1752 //===----------------------------------------------------------------------===//
1753
1754 Value *InnerLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
1755   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop,
1756   // but only if it's proven safe to do so. Else, broadcast will be inside
1757   // vector loop body.
1758   Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(V);
1759   bool SafeToHoist = OrigLoop->isLoopInvariant(V) &&
1760                      (!Instr ||
1761                       DT->dominates(Instr->getParent(), LoopVectorPreHeader));
1762   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
1763   IRBuilder<>::InsertPointGuard Guard(Builder);
1764   if (SafeToHoist)
1765     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1766
1767   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
1768   Value *Shuf = Builder.CreateVectorSplat(VF, V, "broadcast");
1769
1770   return Shuf;
1771 }
1772
1773 void InnerLoopVectorizer::createVectorIntOrFpInductionPHI(
1774     const InductionDescriptor &II, Value *Step, Instruction *EntryVal) {
1775   assert((isa<PHINode>(EntryVal) || isa<TruncInst>(EntryVal)) &&
1776          "Expected either an induction phi-node or a truncate of it!");
1777   Value *Start = II.getStartValue();
1778
1779   // Construct the initial value of the vector IV in the vector loop preheader
1780   auto CurrIP = Builder.saveIP();
1781   Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1782   if (isa<TruncInst>(EntryVal)) {
1783     assert(Start->getType()->isIntegerTy() &&
1784            "Truncation requires an integer type");
1785     auto *TruncType = cast<IntegerType>(EntryVal->getType());
1786     Step = Builder.CreateTrunc(Step, TruncType);
1787     Start = Builder.CreateCast(Instruction::Trunc, Start, TruncType);
1788   }
1789   Value *SplatStart = Builder.CreateVectorSplat(VF, Start);
1790   Value *SteppedStart =
1791       getStepVector(SplatStart, 0, Step, II.getInductionOpcode());
1792
1793   // We create vector phi nodes for both integer and floating-point induction
1794   // variables. Here, we determine the kind of arithmetic we will perform.
1795   Instruction::BinaryOps AddOp;
1796   Instruction::BinaryOps MulOp;
1797   if (Step->getType()->isIntegerTy()) {
1798     AddOp = Instruction::Add;
1799     MulOp = Instruction::Mul;
1800   } else {
1801     AddOp = II.getInductionOpcode();
1802     MulOp = Instruction::FMul;
1803   }
1804
1805   // Multiply the vectorization factor by the step using integer or
1806   // floating-point arithmetic as appropriate.
1807   Value *ConstVF = getSignedIntOrFpConstant(Step->getType(), VF);
1808   Value *Mul = addFastMathFlag(Builder.CreateBinOp(MulOp, Step, ConstVF));
1809
1810   // Create a vector splat to use in the induction update.
1811   //
1812   // FIXME: If the step is non-constant, we create the vector splat with
1813   //        IRBuilder. IRBuilder can constant-fold the multiply, but it doesn't
1814   //        handle a constant vector splat.
1815   Value *SplatVF = isa<Constant>(Mul)
1816                        ? ConstantVector::getSplat(VF, cast<Constant>(Mul))
1817                        : Builder.CreateVectorSplat(VF, Mul);
1818   Builder.restoreIP(CurrIP);
1819
1820   // We may need to add the step a number of times, depending on the unroll
1821   // factor. The last of those goes into the PHI.
1822   PHINode *VecInd = PHINode::Create(SteppedStart->getType(), 2, "vec.ind",
1823                                     &*LoopVectorBody->getFirstInsertionPt());
1824   VecInd->setDebugLoc(EntryVal->getDebugLoc());
1825   Instruction *LastInduction = VecInd;
1826   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1827     VectorLoopValueMap.setVectorValue(EntryVal, Part, LastInduction);
1828
1829     if (isa<TruncInst>(EntryVal))
1830       addMetadata(LastInduction, EntryVal);
1831     recordVectorLoopValueForInductionCast(II, EntryVal, LastInduction, Part);
1832
1833     LastInduction = cast<Instruction>(addFastMathFlag(
1834         Builder.CreateBinOp(AddOp, LastInduction, SplatVF, "step.add")));
1835     LastInduction->setDebugLoc(EntryVal->getDebugLoc());
1836   }
1837
1838   // Move the last step to the end of the latch block. This ensures consistent
1839   // placement of all induction updates.
1840   auto *LoopVectorLatch = LI->getLoopFor(LoopVectorBody)->getLoopLatch();
1841   auto *Br = cast<BranchInst>(LoopVectorLatch->getTerminator());
1842   auto *ICmp = cast<Instruction>(Br->getCondition());
1843   LastInduction->moveBefore(ICmp);
1844   LastInduction->setName("vec.ind.next");
1845
1846   VecInd->addIncoming(SteppedStart, LoopVectorPreHeader);
1847   VecInd->addIncoming(LastInduction, LoopVectorLatch);
1848 }
1849
1850 bool InnerLoopVectorizer::shouldScalarizeInstruction(Instruction *I) const {
1851   return Cost->isScalarAfterVectorization(I, VF) ||
1852          Cost->isProfitableToScalarize(I, VF);
1853 }
1854
1855 bool InnerLoopVectorizer::needsScalarInduction(Instruction *IV) const {
1856   if (shouldScalarizeInstruction(IV))
1857     return true;
1858   auto isScalarInst = [&](User *U) -> bool {
1859     auto *I = cast<Instruction>(U);
1860     return (OrigLoop->contains(I) && shouldScalarizeInstruction(I));
1861   };
1862   return llvm::any_of(IV->users(), isScalarInst);
1863 }
1864
1865 void InnerLoopVectorizer::recordVectorLoopValueForInductionCast(
1866     const InductionDescriptor &ID, const Instruction *EntryVal,
1867     Value *VectorLoopVal, unsigned Part, unsigned Lane) {
1868   assert((isa<PHINode>(EntryVal) || isa<TruncInst>(EntryVal)) &&
1869          "Expected either an induction phi-node or a truncate of it!");
1870
1871   // This induction variable is not the phi from the original loop but the
1872   // newly-created IV based on the proof that casted Phi is equal to the
1873   // uncasted Phi in the vectorized loop (under a runtime guard possibly). It
1874   // re-uses the same InductionDescriptor that original IV uses but we don't
1875   // have to do any recording in this case - that is done when original IV is
1876   // processed.
1877   if (isa<TruncInst>(EntryVal))
1878     return;
1879
1880   const SmallVectorImpl<Instruction *> &Casts = ID.getCastInsts();
1881   if (Casts.empty())
1882     return;
1883   // Only the first Cast instruction in the Casts vector is of interest.
1884   // The rest of the Casts (if exist) have no uses outside the
1885   // induction update chain itself.
1886   Instruction *CastInst = *Casts.begin();
1887   if (Lane < UINT_MAX)
1888     VectorLoopValueMap.setScalarValue(CastInst, {Part, Lane}, VectorLoopVal);
1889   else
1890     VectorLoopValueMap.setVectorValue(CastInst, Part, VectorLoopVal);
1891 }
1892
1893 void InnerLoopVectorizer::widenIntOrFpInduction(PHINode *IV, TruncInst *Trunc) {
1894   assert((IV->getType()->isIntegerTy() || IV != OldInduction) &&
1895          "Primary induction variable must have an integer type");
1896
1897   auto II = Legal->getInductionVars()->find(IV);
1898   assert(II != Legal->getInductionVars()->end() && "IV is not an induction");
1899
1900   auto ID = II->second;
1901   assert(IV->getType() == ID.getStartValue()->getType() && "Types must match");
1902
1903   // The scalar value to broadcast. This will be derived from the canonical
1904   // induction variable.
1905   Value *ScalarIV = nullptr;
1906
1907   // The value from the original loop to which we are mapping the new induction
1908   // variable.
1909   Instruction *EntryVal = Trunc ? cast<Instruction>(Trunc) : IV;
1910
1911   // True if we have vectorized the induction variable.
1912   auto VectorizedIV = false;
1913
1914   // Determine if we want a scalar version of the induction variable. This is
1915   // true if the induction variable itself is not widened, or if it has at
1916   // least one user in the loop that is not widened.
1917   auto NeedsScalarIV = VF > 1 && needsScalarInduction(EntryVal);
1918
1919   // Generate code for the induction step. Note that induction steps are
1920   // required to be loop-invariant
1921   assert(PSE.getSE()->isLoopInvariant(ID.getStep(), OrigLoop) &&
1922          "Induction step should be loop invariant");
1923   auto &DL = OrigLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1924   Value *Step = nullptr;
1925   if (PSE.getSE()->isSCEVable(IV->getType())) {
1926     SCEVExpander Exp(*PSE.getSE(), DL, "induction");
1927     Step = Exp.expandCodeFor(ID.getStep(), ID.getStep()->getType(),
1928                              LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1929   } else {
1930     Step = cast<SCEVUnknown>(ID.getStep())->getValue();
1931   }
1932
1933   // Try to create a new independent vector induction variable. If we can't
1934   // create the phi node, we will splat the scalar induction variable in each
1935   // loop iteration.
1936   if (VF > 1 && !shouldScalarizeInstruction(EntryVal)) {
1937     createVectorIntOrFpInductionPHI(ID, Step, EntryVal);
1938     VectorizedIV = true;
1939   }
1940
1941   // If we haven't yet vectorized the induction variable, or if we will create
1942   // a scalar one, we need to define the scalar induction variable and step
1943   // values. If we were given a truncation type, truncate the canonical
1944   // induction variable and step. Otherwise, derive these values from the
1945   // induction descriptor.
1946   if (!VectorizedIV || NeedsScalarIV) {
1947     ScalarIV = Induction;
1948     if (IV != OldInduction) {
1949       ScalarIV = IV->getType()->isIntegerTy()
1950                      ? Builder.CreateSExtOrTrunc(Induction, IV->getType())
1951                      : Builder.CreateCast(Instruction::SIToFP, Induction,
1952                                           IV->getType());
1953       ScalarIV = ID.transform(Builder, ScalarIV, PSE.getSE(), DL);
1954       ScalarIV->setName("offset.idx");
1955     }
1956     if (Trunc) {
1957       auto *TruncType = cast<IntegerType>(Trunc->getType());
1958       assert(Step->getType()->isIntegerTy() &&
1959              "Truncation requires an integer step");
1960       ScalarIV = Builder.CreateTrunc(ScalarIV, TruncType);
1961       Step = Builder.CreateTrunc(Step, TruncType);
1962     }
1963   }
1964
1965   // If we haven't yet vectorized the induction variable, splat the scalar
1966   // induction variable, and build the necessary step vectors.
1967   // TODO: Don't do it unless the vectorized IV is really required.
1968   if (!VectorizedIV) {
1969     Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ScalarIV);
1970     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1971       Value *EntryPart =
1972           getStepVector(Broadcasted, VF * Part, Step, ID.getInductionOpcode());
1973       VectorLoopValueMap.setVectorValue(EntryVal, Part, EntryPart);
1974       if (Trunc)
1975         addMetadata(EntryPart, Trunc);
1976       recordVectorLoopValueForInductionCast(ID, EntryVal, EntryPart, Part);
1977     }
1978   }
1979
1980   // If an induction variable is only used for counting loop iterations or
1981   // calculating addresses, it doesn't need to be widened. Create scalar steps
1982   // that can be used by instructions we will later scalarize. Note that the
1983   // addition of the scalar steps will not increase the number of instructions
1984   // in the loop in the common case prior to InstCombine. We will be trading
1985   // one vector extract for each scalar step.
1986   if (NeedsScalarIV)
1987     buildScalarSteps(ScalarIV, Step, EntryVal, ID);
1988 }
1989
1990 Value *InnerLoopVectorizer::getStepVector(Value *Val, int StartIdx, Value *Step,
1991                                           Instruction::BinaryOps BinOp) {
1992   // Create and check the types.
1993   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
1994   int VLen = Val->getType()->getVectorNumElements();
1995
1996   Type *STy = Val->getType()->getScalarType();
1997   assert((STy->isIntegerTy() || STy->isFloatingPointTy()) &&
1998          "Induction Step must be an integer or FP");
1999   assert(Step->getType() == STy && "Step has wrong type");
2000
2001   SmallVector<Constant *, 8> Indices;
2002
2003   if (STy->isIntegerTy()) {
2004     // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
2005     for (int i = 0; i < VLen; ++i)
2006       Indices.push_back(ConstantInt::get(STy, StartIdx + i));
2007
2008     // Add the consecutive indices to the vector value.
2009     Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
2010     assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
2011     Step = Builder.CreateVectorSplat(VLen, Step);
2012     assert(Step->getType() == Val->getType() && "Invalid step vec");
2013     // FIXME: The newly created binary instructions should contain nsw/nuw flags,
2014     // which can be found from the original scalar operations.
2015     Step = Builder.CreateMul(Cv, Step);
2016     return Builder.CreateAdd(Val, Step, "induction");
2017   }
2018
2019   // Floating point induction.
2020   assert((BinOp == Instruction::FAdd || BinOp == Instruction::FSub) &&
2021          "Binary Opcode should be specified for FP induction");
2022   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
2023   for (int i = 0; i < VLen; ++i)
2024     Indices.push_back(ConstantFP::get(STy, (double)(StartIdx + i)));
2025
2026   // Add the consecutive indices to the vector value.
2027   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
2028
2029   Step = Builder.CreateVectorSplat(VLen, Step);
2030
2031   // Floating point operations had to be 'fast' to enable the induction.
2032   FastMathFlags Flags;
2033   Flags.setFast();
2034
2035   Value *MulOp = Builder.CreateFMul(Cv, Step);
2036   if (isa<Instruction>(MulOp))
2037     // Have to check, MulOp may be a constant
2038     cast<Instruction>(MulOp)->setFastMathFlags(Flags);
2039
2040   Value *BOp = Builder.CreateBinOp(BinOp, Val, MulOp, "induction");
2041   if (isa<Instruction>(BOp))
2042     cast<Instruction>(BOp)->setFastMathFlags(Flags);
2043   return BOp;
2044 }
2045
2046 void InnerLoopVectorizer::buildScalarSteps(Value *ScalarIV, Value *Step,
2047                                            Instruction *EntryVal,
2048                                            const InductionDescriptor &ID) {
2049   // We shouldn't have to build scalar steps if we aren't vectorizing.
2050   assert(VF > 1 && "VF should be greater than one");
2051
2052   // Get the value type and ensure it and the step have the same integer type.
2053   Type *ScalarIVTy = ScalarIV->getType()->getScalarType();
2054   assert(ScalarIVTy == Step->getType() &&
2055          "Val and Step should have the same type");
2056
2057   // We build scalar steps for both integer and floating-point induction
2058   // variables. Here, we determine the kind of arithmetic we will perform.
2059   Instruction::BinaryOps AddOp;
2060   Instruction::BinaryOps MulOp;
2061   if (ScalarIVTy->isIntegerTy()) {
2062     AddOp = Instruction::Add;
2063     MulOp = Instruction::Mul;
2064   } else {
2065     AddOp = ID.getInductionOpcode();
2066     MulOp = Instruction::FMul;
2067   }
2068
2069   // Determine the number of scalars we need to generate for each unroll
2070   // iteration. If EntryVal is uniform, we only need to generate the first
2071   // lane. Otherwise, we generate all VF values.
2072   unsigned Lanes =
2073       Cost->isUniformAfterVectorization(cast<Instruction>(EntryVal), VF) ? 1
2074                                                                          : VF;
2075   // Compute the scalar steps and save the results in VectorLoopValueMap.
2076   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2077     for (unsigned Lane = 0; Lane < Lanes; ++Lane) {
2078       auto *StartIdx = getSignedIntOrFpConstant(ScalarIVTy, VF * Part + Lane);
2079       auto *Mul = addFastMathFlag(Builder.CreateBinOp(MulOp, StartIdx, Step));
2080       auto *Add = addFastMathFlag(Builder.CreateBinOp(AddOp, ScalarIV, Mul));
2081       VectorLoopValueMap.setScalarValue(EntryVal, {Part, Lane}, Add);
2082       recordVectorLoopValueForInductionCast(ID, EntryVal, Add, Part, Lane);
2083     }
2084   }
2085 }
2086
2087 Value *InnerLoopVectorizer::getOrCreateVectorValue(Value *V, unsigned Part) {
2088   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
2089   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
2090   assert(!V->getType()->isVoidTy() && "Type does not produce a value");
2091
2092   // If we have a stride that is replaced by one, do it here.
2093   if (Legal->hasStride(V))
2094     V = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
2095
2096   // If we have a vector mapped to this value, return it.
2097   if (VectorLoopValueMap.hasVectorValue(V, Part))
2098     return VectorLoopValueMap.getVectorValue(V, Part);
2099
2100   // If the value has not been vectorized, check if it has been scalarized
2101   // instead. If it has been scalarized, and we actually need the value in
2102   // vector form, we will construct the vector values on demand.
2103   if (VectorLoopValueMap.hasAnyScalarValue(V)) {
2104     Value *ScalarValue = VectorLoopValueMap.getScalarValue(V, {Part, 0});
2105
2106     // If we've scalarized a value, that value should be an instruction.
2107     auto *I = cast<Instruction>(V);
2108
2109     // If we aren't vectorizing, we can just copy the scalar map values over to
2110     // the vector map.
2111     if (VF == 1) {
2112       VectorLoopValueMap.setVectorValue(V, Part, ScalarValue);
2113       return ScalarValue;
2114     }
2115
2116     // Get the last scalar instruction we generated for V and Part. If the value
2117     // is known to be uniform after vectorization, this corresponds to lane zero
2118     // of the Part unroll iteration. Otherwise, the last instruction is the one
2119     // we created for the last vector lane of the Part unroll iteration.
2120     unsigned LastLane = Cost->isUniformAfterVectorization(I, VF) ? 0 : VF - 1;
2121     auto *LastInst = cast<Instruction>(
2122         VectorLoopValueMap.getScalarValue(V, {Part, LastLane}));
2123
2124     // Set the insert point after the last scalarized instruction. This ensures
2125     // the insertelement sequence will directly follow the scalar definitions.
2126     auto OldIP = Builder.saveIP();
2127     auto NewIP = std::next(BasicBlock::iterator(LastInst));
2128     Builder.SetInsertPoint(&*NewIP);
2129
2130     // However, if we are vectorizing, we need to construct the vector values.
2131     // If the value is known to be uniform after vectorization, we can just
2132     // broadcast the scalar value corresponding to lane zero for each unroll
2133     // iteration. Otherwise, we construct the vector values using insertelement
2134     // instructions. Since the resulting vectors are stored in
2135     // VectorLoopValueMap, we will only generate the insertelements once.
2136     Value *VectorValue = nullptr;
2137     if (Cost->isUniformAfterVectorization(I, VF)) {
2138       VectorValue = getBroadcastInstrs(ScalarValue);
2139       VectorLoopValueMap.setVectorValue(V, Part, VectorValue);
2140     } else {
2141       // Initialize packing with insertelements to start from undef.
2142       Value *Undef = UndefValue::get(VectorType::get(V->getType(), VF));
2143       VectorLoopValueMap.setVectorValue(V, Part, Undef);
2144       for (unsigned Lane = 0; Lane < VF; ++Lane)
2145         packScalarIntoVectorValue(V, {Part, Lane});
2146       VectorValue = VectorLoopValueMap.getVectorValue(V, Part);
2147     }
2148     Builder.restoreIP(OldIP);
2149     return VectorValue;
2150   }
2151
2152   // If this scalar is unknown, assume that it is a constant or that it is
2153   // loop invariant. Broadcast V and save the value for future uses.
2154   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
2155   VectorLoopValueMap.setVectorValue(V, Part, B);
2156   return B;
2157 }
2158
2159 Value *
2160 InnerLoopVectorizer::getOrCreateScalarValue(Value *V,
2161                                             const VPIteration &Instance) {
2162   // If the value is not an instruction contained in the loop, it should
2163   // already be scalar.
2164   if (OrigLoop->isLoopInvariant(V))
2165     return V;
2166
2167   assert(Instance.Lane > 0
2168              ? !Cost->isUniformAfterVectorization(cast<Instruction>(V), VF)
2169              : true && "Uniform values only have lane zero");
2170
2171   // If the value from the original loop has not been vectorized, it is
2172   // represented by UF x VF scalar values in the new loop. Return the requested
2173   // scalar value.
2174   if (VectorLoopValueMap.hasScalarValue(V, Instance))
2175     return VectorLoopValueMap.getScalarValue(V, Instance);
2176
2177   // If the value has not been scalarized, get its entry in VectorLoopValueMap
2178   // for the given unroll part. If this entry is not a vector type (i.e., the
2179   // vectorization factor is one), there is no need to generate an
2180   // extractelement instruction.
2181   auto *U = getOrCreateVectorValue(V, Instance.Part);
2182   if (!U->getType()->isVectorTy()) {
2183     assert(VF == 1 && "Value not scalarized has non-vector type");
2184     return U;
2185   }
2186
2187   // Otherwise, the value from the original loop has been vectorized and is
2188   // represented by UF vector values. Extract and return the requested scalar
2189   // value from the appropriate vector lane.
2190   return Builder.CreateExtractElement(U, Builder.getInt32(Instance.Lane));
2191 }
2192
2193 void InnerLoopVectorizer::packScalarIntoVectorValue(
2194     Value *V, const VPIteration &Instance) {
2195   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
2196   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't pack a vector");
2197   assert(!V->getType()->isVoidTy() && "Type does not produce a value");
2198
2199   Value *ScalarInst = VectorLoopValueMap.getScalarValue(V, Instance);
2200   Value *VectorValue = VectorLoopValueMap.getVectorValue(V, Instance.Part);
2201   VectorValue = Builder.CreateInsertElement(VectorValue, ScalarInst,
2202                                             Builder.getInt32(Instance.Lane));
2203   VectorLoopValueMap.resetVectorValue(V, Instance.Part, VectorValue);
2204 }
2205
2206 Value *InnerLoopVectorizer::reverseVector(Value *Vec) {
2207   assert(Vec->getType()->isVectorTy() && "Invalid type");
2208   SmallVector<Constant *, 8> ShuffleMask;
2209   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
2210     ShuffleMask.push_back(Builder.getInt32(VF - i - 1));
2211
2212   return Builder.CreateShuffleVector(Vec, UndefValue::get(Vec->getType()),
2213                                      ConstantVector::get(ShuffleMask),
2214                                      "reverse");
2215 }
2216
2217 // Try to vectorize the interleave group that \p Instr belongs to.
2218 //
2219 // E.g. Translate following interleaved load group (factor = 3):
2220 //   for (i = 0; i < N; i+=3) {
2221 //     R = Pic[i];             // Member of index 0
2222 //     G = Pic[i+1];           // Member of index 1
2223 //     B = Pic[i+2];           // Member of index 2
2224 //     ... // do something to R, G, B
2225 //   }
2226 // To:
2227 //   %wide.vec = load <12 x i32>                       ; Read 4 tuples of R,G,B
2228 //   %R.vec = shuffle %wide.vec, undef, <0, 3, 6, 9>   ; R elements
2229 //   %G.vec = shuffle %wide.vec, undef, <1, 4, 7, 10>  ; G elements
2230 //   %B.vec = shuffle %wide.vec, undef, <2, 5, 8, 11>  ; B elements
2231 //
2232 // Or translate following interleaved store group (factor = 3):
2233 //   for (i = 0; i < N; i+=3) {
2234 //     ... do something to R, G, B
2235 //     Pic[i]   = R;           // Member of index 0
2236 //     Pic[i+1] = G;           // Member of index 1
2237 //     Pic[i+2] = B;           // Member of index 2
2238 //   }
2239 // To:
2240 //   %R_G.vec = shuffle %R.vec, %G.vec, <0, 1, 2, ..., 7>
2241 //   %B_U.vec = shuffle %B.vec, undef, <0, 1, 2, 3, u, u, u, u>
2242 //   %interleaved.vec = shuffle %R_G.vec, %B_U.vec,
2243 //        <0, 4, 8, 1, 5, 9, 2, 6, 10, 3, 7, 11>    ; Interleave R,G,B elements
2244 //   store <12 x i32> %interleaved.vec              ; Write 4 tuples of R,G,B
2245 void InnerLoopVectorizer::vectorizeInterleaveGroup(Instruction *Instr) {
2246   const InterleaveGroup *Group = Cost->getInterleavedAccessGroup(Instr);
2247   assert(Group && "Fail to get an interleaved access group.");
2248
2249   // Skip if current instruction is not the insert position.
2250   if (Instr != Group->getInsertPos())
2251     return;
2252
2253   const DataLayout &DL = Instr->getModule()->getDataLayout();
2254   Value *Ptr = getLoadStorePointerOperand(Instr);
2255
2256   // Prepare for the vector type of the interleaved load/store.
2257   Type *ScalarTy = getMemInstValueType(Instr);
2258   unsigned InterleaveFactor = Group->getFactor();
2259   Type *VecTy = VectorType::get(ScalarTy, InterleaveFactor * VF);
2260   Type *PtrTy = VecTy->getPointerTo(getMemInstAddressSpace(Instr));
2261
2262   // Prepare for the new pointers.
2263   setDebugLocFromInst(Builder, Ptr);
2264   SmallVector<Value *, 2> NewPtrs;
2265   unsigned Index = Group->getIndex(Instr);
2266
2267   // If the group is reverse, adjust the index to refer to the last vector lane
2268   // instead of the first. We adjust the index from the first vector lane,
2269   // rather than directly getting the pointer for lane VF - 1, because the
2270   // pointer operand of the interleaved access is supposed to be uniform. For
2271   // uniform instructions, we're only required to generate a value for the
2272   // first vector lane in each unroll iteration.
2273   if (Group->isReverse())
2274     Index += (VF - 1) * Group->getFactor();
2275
2276   bool InBounds = false;
2277   if (auto *gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr->stripPointerCasts()))
2278     InBounds = gep->isInBounds();
2279
2280   for (unsigned Part = 0; Part < UF; Part++) {
2281     Value *NewPtr = getOrCreateScalarValue(Ptr, {Part, 0});
2282
2283     // Notice current instruction could be any index. Need to adjust the address
2284     // to the member of index 0.
2285     //
2286     // E.g.  a = A[i+1];     // Member of index 1 (Current instruction)
2287     //       b = A[i];       // Member of index 0
2288     // Current pointer is pointed to A[i+1], adjust it to A[i].
2289     //
2290     // E.g.  A[i+1] = a;     // Member of index 1
2291     //       A[i]   = b;     // Member of index 0
2292     //       A[i+2] = c;     // Member of index 2 (Current instruction)
2293     // Current pointer is pointed to A[i+2], adjust it to A[i].
2294     NewPtr = Builder.CreateGEP(NewPtr, Builder.getInt32(-Index));
2295     if (InBounds)
2296       cast<GetElementPtrInst>(NewPtr)->setIsInBounds(true);
2297
2298     // Cast to the vector pointer type.
2299     NewPtrs.push_back(Builder.CreateBitCast(NewPtr, PtrTy));
2300   }
2301
2302   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
2303   Value *UndefVec = UndefValue::get(VecTy);
2304
2305   // Vectorize the interleaved load group.
2306   if (isa<LoadInst>(Instr)) {
2307     // For each unroll part, create a wide load for the group.
2308     SmallVector<Value *, 2> NewLoads;
2309     for (unsigned Part = 0; Part < UF; Part++) {
2310       auto *NewLoad = Builder.CreateAlignedLoad(
2311           NewPtrs[Part], Group->getAlignment(), "wide.vec");
2312       Group->addMetadata(NewLoad);
2313       NewLoads.push_back(NewLoad);
2314     }
2315
2316     // For each member in the group, shuffle out the appropriate data from the
2317     // wide loads.
2318     for (unsigned I = 0; I < InterleaveFactor; ++I) {
2319       Instruction *Member = Group->getMember(I);
2320
2321       // Skip the gaps in the group.
2322       if (!Member)
2323         continue;
2324
2325       Constant *StrideMask = createStrideMask(Builder, I, InterleaveFactor, VF);
2326       for (unsigned Part = 0; Part < UF; Part++) {
2327         Value *StridedVec = Builder.CreateShuffleVector(
2328             NewLoads[Part], UndefVec, StrideMask, "strided.vec");
2329
2330         // If this member has different type, cast the result type.
2331         if (Member->getType() != ScalarTy) {
2332           VectorType *OtherVTy = VectorType::get(Member->getType(), VF);
2333           StridedVec = createBitOrPointerCast(StridedVec, OtherVTy, DL);
2334         }
2335
2336         if (Group->isReverse())
2337           StridedVec = reverseVector(StridedVec);
2338
2339         VectorLoopValueMap.setVectorValue(Member, Part, StridedVec);
2340       }
2341     }
2342     return;
2343   }
2344
2345   // The sub vector type for current instruction.
2346   VectorType *SubVT = VectorType::get(ScalarTy, VF);
2347
2348   // Vectorize the interleaved store group.
2349   for (unsigned Part = 0; Part < UF; Part++) {
2350     // Collect the stored vector from each member.
2351     SmallVector<Value *, 4> StoredVecs;
2352     for (unsigned i = 0; i < InterleaveFactor; i++) {
2353       // Interleaved store group doesn't allow a gap, so each index has a member
2354       Instruction *Member = Group->getMember(i);
2355       assert(Member && "Fail to get a member from an interleaved store group");
2356
2357       Value *StoredVec = getOrCreateVectorValue(
2358           cast<StoreInst>(Member)->getValueOperand(), Part);
2359       if (Group->isReverse())
2360         StoredVec = reverseVector(StoredVec);
2361
2362       // If this member has different type, cast it to a unified type.
2363
2364       if (StoredVec->getType() != SubVT)
2365         StoredVec = createBitOrPointerCast(StoredVec, SubVT, DL);
2366
2367       StoredVecs.push_back(StoredVec);
2368     }
2369
2370     // Concatenate all vectors into a wide vector.
2371     Value *WideVec = concatenateVectors(Builder, StoredVecs);
2372
2373     // Interleave the elements in the wide vector.
2374     Constant *IMask = createInterleaveMask(Builder, VF, InterleaveFactor);
2375     Value *IVec = Builder.CreateShuffleVector(WideVec, UndefVec, IMask,
2376                                               "interleaved.vec");
2377
2378     Instruction *NewStoreInstr =
2379         Builder.CreateAlignedStore(IVec, NewPtrs[Part], Group->getAlignment());
2380
2381     Group->addMetadata(NewStoreInstr);
2382   }
2383 }
2384
2385 void InnerLoopVectorizer::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr,
2386                                                      VectorParts *BlockInMask) {
2387   // Attempt to issue a wide load.
2388   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Instr);
2389   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
2390
2391   assert((LI || SI) && "Invalid Load/Store instruction");
2392
2393   LoopVectorizationCostModel::InstWidening Decision =
2394       Cost->getWideningDecision(Instr, VF);
2395   assert(Decision != LoopVectorizationCostModel::CM_Unknown &&
2396          "CM decision should be taken at this point");
2397   if (Decision == LoopVectorizationCostModel::CM_Interleave)
2398     return vectorizeInterleaveGroup(Instr);
2399
2400   Type *ScalarDataTy = getMemInstValueType(Instr);
2401   Type *DataTy = VectorType::get(ScalarDataTy, VF);
2402   Value *Ptr = getLoadStorePointerOperand(Instr);
2403   unsigned Alignment = getMemInstAlignment(Instr);
2404   // An alignment of 0 means target abi alignment. We need to use the scalar's
2405   // target abi alignment in such a case.
2406   const DataLayout &DL = Instr->getModule()->getDataLayout();
2407   if (!Alignment)
2408     Alignment = DL.getABITypeAlignment(ScalarDataTy);
2409   unsigned AddressSpace = getMemInstAddressSpace(Instr);
2410
2411   // Determine if the pointer operand of the access is either consecutive or
2412   // reverse consecutive.
2413   bool Reverse = (Decision == LoopVectorizationCostModel::CM_Widen_Reverse);
2414   bool ConsecutiveStride =
2415       Reverse || (Decision == LoopVectorizationCostModel::CM_Widen);
2416   bool CreateGatherScatter =
2417       (Decision == LoopVectorizationCostModel::CM_GatherScatter);
2418
2419   // Either Ptr feeds a vector load/store, or a vector GEP should feed a vector
2420   // gather/scatter. Otherwise Decision should have been to Scalarize.
2421   assert((ConsecutiveStride || CreateGatherScatter) &&
2422          "The instruction should be scalarized");
2423
2424   // Handle consecutive loads/stores.
2425   if (ConsecutiveStride)
2426     Ptr = getOrCreateScalarValue(Ptr, {0, 0});
2427
2428   VectorParts Mask;
2429   bool isMaskRequired = BlockInMask;
2430   if (isMaskRequired)
2431     Mask = *BlockInMask;
2432
2433   bool InBounds = false;
2434   if (auto *gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(
2435           getLoadStorePointerOperand(Instr)->stripPointerCasts()))
2436     InBounds = gep->isInBounds();
2437
2438   const auto CreateVecPtr = [&](unsigned Part, Value *Ptr) -> Value * {
2439     // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
2440     GetElementPtrInst *PartPtr = nullptr;
2441
2442     if (Reverse) {
2443       // If the address is consecutive but reversed, then the
2444       // wide store needs to start at the last vector element.
2445       PartPtr = cast<GetElementPtrInst>(
2446           Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF)));
2447       PartPtr->setIsInBounds(InBounds);
2448       PartPtr = cast<GetElementPtrInst>(
2449           Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF)));
2450       PartPtr->setIsInBounds(InBounds);
2451       if (isMaskRequired) // Reverse of a null all-one mask is a null mask.
2452         Mask[Part] = reverseVector(Mask[Part]);
2453     } else {
2454       PartPtr = cast<GetElementPtrInst>(
2455           Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF)));
2456       PartPtr->setIsInBounds(InBounds);
2457     }
2458
2459     return Builder.CreateBitCast(PartPtr, DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
2460   };
2461
2462   // Handle Stores:
2463   if (SI) {
2464     setDebugLocFromInst(Builder, SI);
2465
2466     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2467       Instruction *NewSI = nullptr;
2468       Value *StoredVal = getOrCreateVectorValue(SI->getValueOperand(), Part);
2469       if (CreateGatherScatter) {
2470         Value *MaskPart = isMaskRequired ? Mask[Part] : nullptr;
2471         Value *VectorGep = getOrCreateVectorValue(Ptr, Part);
2472         NewSI = Builder.CreateMaskedScatter(StoredVal, VectorGep, Alignment,
2473                                             MaskPart);
2474       } else {
2475         if (Reverse) {
2476           // If we store to reverse consecutive memory locations, then we need
2477           // to reverse the order of elements in the stored value.
2478           StoredVal = reverseVector(StoredVal);
2479           // We don't want to update the value in the map as it might be used in
2480           // another expression. So don't call resetVectorValue(StoredVal).
2481         }
2482         auto *VecPtr = CreateVecPtr(Part, Ptr);
2483         if (isMaskRequired)
2484           NewSI = Builder.CreateMaskedStore(StoredVal, VecPtr, Alignment,
2485                                             Mask[Part]);
2486         else
2487           NewSI = Builder.CreateAlignedStore(StoredVal, VecPtr, Alignment);
2488       }
2489       addMetadata(NewSI, SI);
2490     }
2491     return;
2492   }
2493
2494   // Handle loads.
2495   assert(LI && "Must have a load instruction");
2496   setDebugLocFromInst(Builder, LI);
2497   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
2498     Value *NewLI;
2499     if (CreateGatherScatter) {
2500       Value *MaskPart = isMaskRequired ? Mask[Part] : nullptr;
2501       Value *VectorGep = getOrCreateVectorValue(Ptr, Part);
2502       NewLI = Builder.CreateMaskedGather(VectorGep, Alignment, MaskPart,
2503                                          nullptr, "wide.masked.gather");
2504       addMetadata(NewLI, LI);
2505     } else {
2506       auto *VecPtr = CreateVecPtr(Part, Ptr);
2507       if (isMaskRequired)
2508         NewLI = Builder.CreateMaskedLoad(VecPtr, Alignment, Mask[Part],
2509                                          UndefValue::get(DataTy),
2510                                          "wide.masked.load");
2511       else
2512         NewLI = Builder.CreateAlignedLoad(VecPtr, Alignment, "wide.load");
2513
2514       // Add metadata to the load, but setVectorValue to the reverse shuffle.
2515       addMetadata(NewLI, LI);
2516       if (Reverse)
2517         NewLI = reverseVector(NewLI);
2518     }
2519     VectorLoopValueMap.setVectorValue(Instr, Part, NewLI);
2520   }
2521 }
2522
2523 void InnerLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
2524                                                const VPIteration &Instance,
2525                                                bool IfPredicateInstr) {
2526   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
2527
2528   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
2529
2530   // Does this instruction return a value ?
2531   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
2532
2533   Instruction *Cloned = Instr->clone();
2534   if (!IsVoidRetTy)
2535     Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
2536
2537   // Replace the operands of the cloned instructions with their scalar
2538   // equivalents in the new loop.
2539   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
2540     auto *NewOp = getOrCreateScalarValue(Instr->getOperand(op), Instance);
2541     Cloned->setOperand(op, NewOp);
2542   }
2543   addNewMetadata(Cloned, Instr);
2544
2545   // Place the cloned scalar in the new loop.
2546   Builder.Insert(Cloned);
2547
2548   // Add the cloned scalar to the scalar map entry.
2549   VectorLoopValueMap.setScalarValue(Instr, Instance, Cloned);
2550
2551   // If we just cloned a new assumption, add it the assumption cache.
2552   if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Cloned))
2553     if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::assume)
2554       AC->registerAssumption(II);
2555
2556   // End if-block.
2557   if (IfPredicateInstr)
2558     PredicatedInstructions.push_back(Cloned);
2559 }
2560
2561 PHINode *InnerLoopVectorizer::createInductionVariable(Loop *L, Value *Start,
2562                                                       Value *End, Value *Step,
2563                                                       Instruction *DL) {
2564   BasicBlock *Header = L->getHeader();
2565   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
2566   // As we're just creating this loop, it's possible no latch exists
2567   // yet. If so, use the header as this will be a single block loop.
2568   if (!Latch)
2569     Latch = Header;
2570
2571   IRBuilder<> Builder(&*Header->getFirstInsertionPt());
2572   Instruction *OldInst = getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction);
2573   setDebugLocFromInst(Builder, OldInst);
2574   auto *Induction = Builder.CreatePHI(Start->getType(), 2, "index");
2575
2576   Builder.SetInsertPoint(Latch->getTerminator());
2577   setDebugLocFromInst(Builder, OldInst);
2578
2579   // Create i+1 and fill the PHINode.
2580   Value *Next = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
2581   Induction->addIncoming(Start, L->getLoopPreheader());
2582   Induction->addIncoming(Next, Latch);
2583   // Create the compare.
2584   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(Next, End);
2585   Builder.CreateCondBr(ICmp, L->getExitBlock(), Header);
2586
2587   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
2588   Latch->getTerminator()->eraseFromParent();
2589
2590   return Induction;
2591 }
2592
2593 Value *InnerLoopVectorizer::getOrCreateTripCount(Loop *L) {
2594   if (TripCount)
2595     return TripCount;
2596
2597   IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
2598   // Find the loop boundaries.
2599   ScalarEvolution *SE = PSE.getSE();
2600   const SCEV *BackedgeTakenCount = PSE.getBackedgeTakenCount();
2601   assert(BackedgeTakenCount != SE->getCouldNotCompute() &&
2602          "Invalid loop count");
2603
2604   Type *IdxTy = Legal->getWidestInductionType();
2605
2606   // The exit count might have the type of i64 while the phi is i32. This can
2607   // happen if we have an induction variable that is sign extended before the
2608   // compare. The only way that we get a backedge taken count is that the
2609   // induction variable was signed and as such will not overflow. In such a case
2610   // truncation is legal.
2611   if (BackedgeTakenCount->getType()->getPrimitiveSizeInBits() >
2612       IdxTy->getPrimitiveSizeInBits())
2613     BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount, IdxTy);
2614   BackedgeTakenCount = SE->getNoopOrZeroExtend(BackedgeTakenCount, IdxTy);
2615
2616   // Get the total trip count from the count by adding 1.
2617   const SCEV *ExitCount = SE->getAddExpr(
2618       BackedgeTakenCount, SE->getOne(BackedgeTakenCount->getType()));
2619
2620   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
2621
2622   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
2623   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
2624   SCEVExpander Exp(*SE, DL, "induction");
2625
2626   // Count holds the overall loop count (N).
2627   TripCount = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
2628                                 L->getLoopPreheader()->getTerminator());
2629
2630   if (TripCount->getType()->isPointerTy())
2631     TripCount =
2632         CastInst::CreatePointerCast(TripCount, IdxTy, "exitcount.ptrcnt.to.int",
2633                                     L->getLoopPreheader()->getTerminator());
2634
2635   return TripCount;
2636 }
2637
2638 Value *InnerLoopVectorizer::getOrCreateVectorTripCount(Loop *L) {
2639   if (VectorTripCount)
2640     return VectorTripCount;
2641
2642   Value *TC = getOrCreateTripCount(L);
2643   IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
2644
2645   // Now we need to generate the expression for the part of the loop that the
2646   // vectorized body will execute. This is equal to N - (N % Step) if scalar
2647   // iterations are not required for correctness, or N - Step, otherwise. Step
2648   // is equal to the vectorization factor (number of SIMD elements) times the
2649   // unroll factor (number of SIMD instructions).
2650   Constant *Step = ConstantInt::get(TC->getType(), VF * UF);
2651   Value *R = Builder.CreateURem(TC, Step, "n.mod.vf");
2652
2653   // If there is a non-reversed interleaved group that may speculatively access
2654   // memory out-of-bounds, we need to ensure that there will be at least one
2655   // iteration of the scalar epilogue loop. Thus, if the step evenly divides
2656   // the trip count, we set the remainder to be equal to the step. If the step
2657   // does not evenly divide the trip count, no adjustment is necessary since
2658   // there will already be scalar iterations. Note that the minimum iterations
2659   // check ensures that N >= Step.
2660   if (VF > 1 && Cost->requiresScalarEpilogue()) {
2661     auto *IsZero = Builder.CreateICmpEQ(R, ConstantInt::get(R->getType(), 0));
2662     R = Builder.CreateSelect(IsZero, Step, R);
2663   }
2664
2665   VectorTripCount = Builder.CreateSub(TC, R, "n.vec");
2666
2667   return VectorTripCount;
2668 }
2669
2670 Value *InnerLoopVectorizer::createBitOrPointerCast(Value *V, VectorType *DstVTy,
2671                                                    const DataLayout &DL) {
2672   // Verify that V is a vector type with same number of elements as DstVTy.
2673   unsigned VF = DstVTy->getNumElements();
2674   VectorType *SrcVecTy = cast<VectorType>(V->getType());
2675   assert((VF == SrcVecTy->getNumElements()) && "Vector dimensions do not match");
2676   Type *SrcElemTy = SrcVecTy->getElementType();
2677   Type *DstElemTy = DstVTy->getElementType();
2678   assert((DL.getTypeSizeInBits(SrcElemTy) == DL.getTypeSizeInBits(DstElemTy)) &&
2679          "Vector elements must have same size");
2680
2681   // Do a direct cast if element types are castable.
2682   if (CastInst::isBitOrNoopPointerCastable(SrcElemTy, DstElemTy, DL)) {
2683     return Builder.CreateBitOrPointerCast(V, DstVTy);
2684   }
2685   // V cannot be directly casted to desired vector type.
2686   // May happen when V is a floating point vector but DstVTy is a vector of
2687   // pointers or vice-versa. Handle this using a two-step bitcast using an
2688   // intermediate Integer type for the bitcast i.e. Ptr <-> Int <-> Float.
2689   assert((DstElemTy->isPointerTy() != SrcElemTy->isPointerTy()) &&
2690          "Only one type should be a pointer type");
2691   assert((DstElemTy->isFloatingPointTy() != SrcElemTy->isFloatingPointTy()) &&
2692          "Only one type should be a floating point type");
2693   Type *IntTy =
2694       IntegerType::getIntNTy(V->getContext(), DL.getTypeSizeInBits(SrcElemTy));
2695   VectorType *VecIntTy = VectorType::get(IntTy, VF);
2696   Value *CastVal = Builder.CreateBitOrPointerCast(V, VecIntTy);
2697   return Builder.CreateBitOrPointerCast(CastVal, DstVTy);
2698 }
2699
2700 void InnerLoopVectorizer::emitMinimumIterationCountCheck(Loop *L,
2701                                                          BasicBlock *Bypass) {
2702   Value *Count = getOrCreateTripCount(L);
2703   BasicBlock *BB = L->getLoopPreheader();
2704   IRBuilder<> Builder(BB->getTerminator());
2705
2706   // Generate code to check if the loop's trip count is less than VF * UF, or
2707   // equal to it in case a scalar epilogue is required; this implies that the
2708   // vector trip count is zero. This check also covers the case where adding one
2709   // to the backedge-taken count overflowed leading to an incorrect trip count
2710   // of zero. In this case we will also jump to the scalar loop.
2711   auto P = Cost->requiresScalarEpilogue() ? ICmpInst::ICMP_ULE
2712                                           : ICmpInst::ICMP_ULT;
2713   Value *CheckMinIters = Builder.CreateICmp(
2714       P, Count, ConstantInt::get(Count->getType(), VF * UF), "min.iters.check");
2715
2716   BasicBlock *NewBB = BB->splitBasicBlock(BB->getTerminator(), "vector.ph");
2717   // Update dominator tree immediately if the generated block is a
2718   // LoopBypassBlock because SCEV expansions to generate loop bypass
2719   // checks may query it before the current function is finished.
2720   DT->addNewBlock(NewBB, BB);
2721   if (L->getParentLoop())
2722     L->getParentLoop()->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
2723   ReplaceInstWithInst(BB->getTerminator(),
2724                       BranchInst::Create(Bypass, NewBB, CheckMinIters));
2725   LoopBypassBlocks.push_back(BB);
2726 }
2727
2728 void InnerLoopVectorizer::emitSCEVChecks(Loop *L, BasicBlock *Bypass) {
2729   BasicBlock *BB = L->getLoopPreheader();
2730
2731   // Generate the code to check that the SCEV assumptions that we made.
2732   // We want the new basic block to start at the first instruction in a
2733   // sequence of instructions that form a check.
2734   SCEVExpander Exp(*PSE.getSE(), Bypass->getModule()->getDataLayout(),
2735                    "scev.check");
2736   Value *SCEVCheck =
2737       Exp.expandCodeForPredicate(&PSE.getUnionPredicate(), BB->getTerminator());
2738
2739   if (auto *C = dyn_cast<ConstantInt>(SCEVCheck))
2740     if (C->isZero())
2741       return;
2742
2743   // Create a new block containing the stride check.
2744   BB->setName("vector.scevcheck");
2745   auto *NewBB = BB->splitBasicBlock(BB->getTerminator(), "vector.ph");
2746   // Update dominator tree immediately if the generated block is a
2747   // LoopBypassBlock because SCEV expansions to generate loop bypass
2748   // checks may query it before the current function is finished.
2749   DT->addNewBlock(NewBB, BB);
2750   if (L->getParentLoop())
2751     L->getParentLoop()->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
2752   ReplaceInstWithInst(BB->getTerminator(),
2753                       BranchInst::Create(Bypass, NewBB, SCEVCheck));
2754   LoopBypassBlocks.push_back(BB);
2755   AddedSafetyChecks = true;
2756 }
2757
2758 void InnerLoopVectorizer::emitMemRuntimeChecks(Loop *L, BasicBlock *Bypass) {
2759   BasicBlock *BB = L->getLoopPreheader();
2760
2761   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
2762   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
2763   // faster.
2764   Instruction *FirstCheckInst;
2765   Instruction *MemRuntimeCheck;
2766   std::tie(FirstCheckInst, MemRuntimeCheck) =
2767       Legal->getLAI()->addRuntimeChecks(BB->getTerminator());
2768   if (!MemRuntimeCheck)
2769     return;
2770
2771   // Create a new block containing the memory check.
2772   BB->setName("vector.memcheck");
2773   auto *NewBB = BB->splitBasicBlock(BB->getTerminator(), "vector.ph");
2774   // Update dominator tree immediately if the generated block is a
2775   // LoopBypassBlock because SCEV expansions to generate loop bypass
2776   // checks may query it before the current function is finished.
2777   DT->addNewBlock(NewBB, BB);
2778   if (L->getParentLoop())
2779     L->getParentLoop()->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
2780   ReplaceInstWithInst(BB->getTerminator(),
2781                       BranchInst::Create(Bypass, NewBB, MemRuntimeCheck));
2782   LoopBypassBlocks.push_back(BB);
2783   AddedSafetyChecks = true;
2784
2785   // We currently don't use LoopVersioning for the actual loop cloning but we
2786   // still use it to add the noalias metadata.
2787   LVer = llvm::make_unique<LoopVersioning>(*Legal->getLAI(), OrigLoop, LI, DT,
2788                                            PSE.getSE());
2789   LVer->prepareNoAliasMetadata();
2790 }
2791
2792 BasicBlock *InnerLoopVectorizer::createVectorizedLoopSkeleton() {
2793   /*
2794    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
2795    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
2796    scalar remainder.
2797
2798        [ ] <-- loop iteration number check.
2799     /   |
2800    /    v
2801   |    [ ] <-- vector loop bypass (may consist of multiple blocks).
2802   |  /  |
2803   | /   v
2804   ||   [ ]     <-- vector pre header.
2805   |/    |
2806   |     v
2807   |    [  ] \
2808   |    [  ]_|   <-- vector loop.
2809   |     |
2810   |     v
2811   |   -[ ]   <--- middle-block.
2812   |  /  |
2813   | /   v
2814   -|- >[ ]     <--- new preheader.
2815    |    |
2816    |    v
2817    |   [ ] \
2818    |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
2819     \   |
2820      \  v
2821       >[ ]     <-- exit block.
2822    ...
2823    */
2824
2825   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
2826   BasicBlock *VectorPH = OrigLoop->getLoopPreheader();
2827   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
2828   assert(VectorPH && "Invalid loop structure");
2829   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
2830
2831   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
2832   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
2833   // induction variables. In the code below we also support a case where we
2834   // don't have a single induction variable.
2835   //
2836   // We try to obtain an induction variable from the original loop as hard
2837   // as possible. However if we don't find one that:
2838   //   - is an integer
2839   //   - counts from zero, stepping by one
2840   //   - is the size of the widest induction variable type
2841   // then we create a new one.
2842   OldInduction = Legal->getPrimaryInduction();
2843   Type *IdxTy = Legal->getWidestInductionType();
2844
2845   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
2846   BasicBlock *VecBody =
2847       VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
2848   BasicBlock *MiddleBlock =
2849       VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
2850   BasicBlock *ScalarPH =
2851       MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
2852
2853   // Create and register the new vector loop.
2854   Loop *Lp = LI->AllocateLoop();
2855   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
2856
2857   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks
2858   // before calling any utilities such as SCEV that require valid LoopInfo.
2859   if (ParentLoop) {
2860     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
2861     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, *LI);
2862     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, *LI);
2863   } else {
2864     LI->addTopLevelLoop(Lp);
2865   }
2866   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, *LI);
2867
2868   // Find the loop boundaries.
2869   Value *Count = getOrCreateTripCount(Lp);
2870
2871   Value *StartIdx = ConstantInt::get(IdxTy, 0);
2872
2873   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
2874   // jump to the scalar loop. This check also covers the case where the
2875   // backedge-taken count is uint##_max: adding one to it will overflow leading
2876   // to an incorrect trip count of zero. In this (rare) case we will also jump
2877   // to the scalar loop.
2878   emitMinimumIterationCountCheck(Lp, ScalarPH);
2879
2880   // Generate the code to check any assumptions that we've made for SCEV
2881   // expressions.
2882   emitSCEVChecks(Lp, ScalarPH);
2883
2884   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
2885   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
2886   // faster.
2887   emitMemRuntimeChecks(Lp, ScalarPH);
2888
2889   // Generate the induction variable.
2890   // The loop step is equal to the vectorization factor (num of SIMD elements)
2891   // times the unroll factor (num of SIMD instructions).
2892   Value *CountRoundDown = getOrCreateVectorTripCount(Lp);
2893   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF * UF);
2894   Induction =
2895       createInductionVariable(Lp, StartIdx, CountRoundDown, Step,
2896                               getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
2897
2898   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
2899   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
2900   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
2901   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
2902   // iteration in the vectorized loop.
2903   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original
2904   // start value.
2905
2906   // This variable saves the new starting index for the scalar loop. It is used
2907   // to test if there are any tail iterations left once the vector loop has
2908   // completed.
2909   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
2910   for (auto &InductionEntry : *List) {
2911     PHINode *OrigPhi = InductionEntry.first;
2912     InductionDescriptor II = InductionEntry.second;
2913
2914     // Create phi nodes to merge from the  backedge-taken check block.
2915     PHINode *BCResumeVal = PHINode::Create(
2916         OrigPhi->getType(), 3, "bc.resume.val", ScalarPH->getTerminator());
2917     // Copy original phi DL over to the new one.
2918     BCResumeVal->setDebugLoc(OrigPhi->getDebugLoc());
2919     Value *&EndValue = IVEndValues[OrigPhi];
2920     if (OrigPhi == OldInduction) {
2921       // We know what the end value is.
2922       EndValue = CountRoundDown;
2923     } else {
2924       IRBuilder<> B(Lp->getLoopPreheader()->getTerminator());
2925       Type *StepType = II.getStep()->getType();
2926       Instruction::CastOps CastOp =
2927         CastInst::getCastOpcode(CountRoundDown, true, StepType, true);
2928       Value *CRD = B.CreateCast(CastOp, CountRoundDown, StepType, "cast.crd");
2929       const DataLayout &DL = OrigLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
2930       EndValue = II.transform(B, CRD, PSE.getSE(), DL);
2931       EndValue->setName("ind.end");
2932     }
2933
2934     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
2935     // or the value at the end of the vectorized loop.
2936     BCResumeVal->addIncoming(EndValue, MiddleBlock);
2937
2938     // Fix the scalar body counter (PHI node).
2939     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
2940
2941     // The old induction's phi node in the scalar body needs the truncated
2942     // value.
2943     for (BasicBlock *BB : LoopBypassBlocks)
2944       BCResumeVal->addIncoming(II.getStartValue(), BB);
2945     OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, BCResumeVal);
2946   }
2947
2948   // Add a check in the middle block to see if we have completed
2949   // all of the iterations in the first vector loop.
2950   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
2951   Value *CmpN =
2952       CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, Count,
2953                       CountRoundDown, "cmp.n", MiddleBlock->getTerminator());
2954   ReplaceInstWithInst(MiddleBlock->getTerminator(),
2955                       BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN));
2956
2957   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
2958   Builder.SetInsertPoint(&*VecBody->getFirstInsertionPt());
2959
2960   // Save the state.
2961   LoopVectorPreHeader = Lp->getLoopPreheader();
2962   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
2963   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
2964   LoopExitBlock = ExitBlock;
2965   LoopVectorBody = VecBody;
2966   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
2967
2968   // Keep all loop hints from the original loop on the vector loop (we'll
2969   // replace the vectorizer-specific hints below).
2970   if (MDNode *LID = OrigLoop->getLoopID())
2971     Lp->setLoopID(LID);
2972
2973   LoopVectorizeHints Hints(Lp, true, *ORE);
2974   Hints.setAlreadyVectorized();
2975
2976   return LoopVectorPreHeader;
2977 }
2978
2979 // Fix up external users of the induction variable. At this point, we are
2980 // in LCSSA form, with all external PHIs that use the IV having one input value,
2981 // coming from the remainder loop. We need those PHIs to also have a correct
2982 // value for the IV when arriving directly from the middle block.
2983 void InnerLoopVectorizer::fixupIVUsers(PHINode *OrigPhi,
2984                                        const InductionDescriptor &II,
2985                                        Value *CountRoundDown, Value *EndValue,
2986                                        BasicBlock *MiddleBlock) {
2987   // There are two kinds of external IV usages - those that use the value
2988   // computed in the last iteration (the PHI) and those that use the penultimate
2989   // value (the value that feeds into the phi from the loop latch).
2990   // We allow both, but they, obviously, have different values.
2991
2992   assert(OrigLoop->getExitBlock() && "Expected a single exit block");
2993
2994   DenseMap<Value *, Value *> MissingVals;
2995
2996   // An external user of the last iteration's value should see the value that
2997   // the remainder loop uses to initialize its own IV.
2998   Value *PostInc = OrigPhi->getIncomingValueForBlock(OrigLoop->getLoopLatch());
2999   for (User *U : PostInc->users()) {
3000     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
3001     if (!OrigLoop->contains(UI)) {
3002       assert(isa<PHINode>(UI) && "Expected LCSSA form");
3003       MissingVals[UI] = EndValue;
3004     }
3005   }
3006
3007   // An external user of the penultimate value need to see EndValue - Step.
3008   // The simplest way to get this is to recompute it from the constituent SCEVs,
3009   // that is Start + (Step * (CRD - 1)).
3010   for (User *U : OrigPhi->users()) {
3011     auto *UI = cast<Instruction>(U);
3012     if (!OrigLoop->contains(UI)) {
3013       const DataLayout &DL =
3014           OrigLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
3015       assert(isa<PHINode>(UI) && "Expected LCSSA form");
3016
3017       IRBuilder<> B(MiddleBlock->getTerminator());
3018       Value *CountMinusOne = B.CreateSub(
3019           CountRoundDown, ConstantInt::get(CountRoundDown->getType(), 1));
3020       Value *CMO =
3021           !II.getStep()->getType()->isIntegerTy()
3022               ? B.CreateCast(Instruction::SIToFP, CountMinusOne,
3023                              II.getStep()->getType())
3024               : B.CreateSExtOrTrunc(CountMinusOne, II.getStep()->getType());
3025       CMO->setName("cast.cmo");
3026       Value *Escape = II.transform(B, CMO, PSE.getSE(), DL);
3027       Escape->setName("ind.escape");
3028       MissingVals[UI] = Escape;
3029     }
3030   }
3031
3032   for (auto &I : MissingVals) {
3033     PHINode *PHI = cast<PHINode>(I.first);
3034     // One corner case we have to handle is two IVs "chasing" each-other,
3035     // that is %IV2 = phi [...], [ %IV1, %latch ]
3036     // In this case, if IV1 has an external use, we need to avoid adding both
3037     // "last value of IV1" and "penultimate value of IV2". So, verify that we
3038     // don't already have an incoming value for the middle block.
3039     if (PHI->getBasicBlockIndex(MiddleBlock) == -1)
3040       PHI->addIncoming(I.second, MiddleBlock);
3041   }
3042 }
3043
3044 namespace {
3045
3046 struct CSEDenseMapInfo {
3047   static bool canHandle(const Instruction *I) {
3048     return isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
3049            isa<ShuffleVectorInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I);
3050   }
3051
3052   static inline Instruction *getEmptyKey() {
3053     return DenseMapInfo<Instruction *>::getEmptyKey();
3054   }
3055
3056   static inline Instruction *getTombstoneKey() {
3057     return DenseMapInfo<Instruction *>::getTombstoneKey();
3058   }
3059
3060   static unsigned getHashValue(const Instruction *I) {
3061     assert(canHandle(I) && "Unknown instruction!");
3062     return hash_combine(I->getOpcode(), hash_combine_range(I->value_op_begin(),
3063                                                            I->value_op_end()));
3064   }
3065
3066   static bool isEqual(const Instruction *LHS, const Instruction *RHS) {
3067     if (LHS == getEmptyKey() || RHS == getEmptyKey() ||
3068         LHS == getTombstoneKey() || RHS == getTombstoneKey())
3069       return LHS == RHS;
3070     return LHS->isIdenticalTo(RHS);
3071   }
3072 };
3073
3074 } // end anonymous namespace
3075
3076 ///Perform cse of induction variable instructions.
3077 static void cse(BasicBlock *BB) {
3078   // Perform simple cse.
3079   SmallDenseMap<Instruction *, Instruction *, 4, CSEDenseMapInfo> CSEMap;
3080   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;) {
3081     Instruction *In = &*I++;
3082
3083     if (!CSEDenseMapInfo::canHandle(In))
3084       continue;
3085
3086     // Check if we can replace this instruction with any of the
3087     // visited instructions.
3088     if (Instruction *V = CSEMap.lookup(In)) {
3089       In->replaceAllUsesWith(V);
3090       In->eraseFromParent();
3091       continue;
3092     }
3093
3094     CSEMap[In] = In;
3095   }
3096 }
3097
3098 /// Estimate the overhead of scalarizing an instruction. This is a
3099 /// convenience wrapper for the type-based getScalarizationOverhead API.
3100 static unsigned getScalarizationOverhead(Instruction *I, unsigned VF,
3101                                          const TargetTransformInfo &TTI) {
3102   if (VF == 1)
3103     return 0;
3104
3105   unsigned Cost = 0;
3106   Type *RetTy = ToVectorTy(I->getType(), VF);
3107   if (!RetTy->isVoidTy() &&
3108       (!isa<LoadInst>(I) ||
3109        !TTI.supportsEfficientVectorElementLoadStore()))
3110     Cost += TTI.getScalarizationOverhead(RetTy, true, false);
3111
3112   if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
3113     SmallVector<const Value *, 4> Operands(CI->arg_operands());
3114     Cost += TTI.getOperandsScalarizationOverhead(Operands, VF);
3115   }
3116   else if (!isa<StoreInst>(I) ||
3117            !TTI.supportsEfficientVectorElementLoadStore()) {
3118     SmallVector<const Value *, 4> Operands(I->operand_values());
3119     Cost += TTI.getOperandsScalarizationOverhead(Operands, VF);
3120   }
3121
3122   return Cost;
3123 }
3124
3125 // Estimate cost of a call instruction CI if it were vectorized with factor VF.
3126 // Return the cost of the instruction, including scalarization overhead if it's
3127 // needed. The flag NeedToScalarize shows if the call needs to be scalarized -
3128 // i.e. either vector version isn't available, or is too expensive.
3129 static unsigned getVectorCallCost(CallInst *CI, unsigned VF,
3130                                   const TargetTransformInfo &TTI,
3131                                   const TargetLibraryInfo *TLI,
3132                                   bool &NeedToScalarize) {
3133   Function *F = CI->getCalledFunction();
3134   StringRef FnName = CI->getCalledFunction()->getName();
3135   Type *ScalarRetTy = CI->getType();
3136   SmallVector<Type *, 4> Tys, ScalarTys;
3137   for (auto &ArgOp : CI->arg_operands())
3138     ScalarTys.push_back(ArgOp->getType());
3139
3140   // Estimate cost of scalarized vector call. The source operands are assumed
3141   // to be vectors, so we need to extract individual elements from there,
3142   // execute VF scalar calls, and then gather the result into the vector return
3143   // value.
3144   unsigned ScalarCallCost = TTI.getCallInstrCost(F, ScalarRetTy, ScalarTys);
3145   if (VF == 1)
3146     return ScalarCallCost;
3147
3148   // Compute corresponding vector type for return value and arguments.
3149   Type *RetTy = ToVectorTy(ScalarRetTy, VF);
3150   for (Type *ScalarTy : ScalarTys)
3151     Tys.push_back(ToVectorTy(ScalarTy, VF));
3152
3153   // Compute costs of unpacking argument values for the scalar calls and
3154   // packing the return values to a vector.
3155   unsigned ScalarizationCost = getScalarizationOverhead(CI, VF, TTI);
3156
3157   unsigned Cost = ScalarCallCost * VF + ScalarizationCost;
3158
3159   // If we can't emit a vector call for this function, then the currently found
3160   // cost is the cost we need to return.
3161   NeedToScalarize = true;
3162   if (!TLI || !TLI->isFunctionVectorizable(FnName, VF) || CI->isNoBuiltin())
3163     return Cost;
3164
3165   // If the corresponding vector cost is cheaper, return its cost.
3166   unsigned VectorCallCost = TTI.getCallInstrCost(nullptr, RetTy, Tys);
3167   if (VectorCallCost < Cost) {
3168     NeedToScalarize = false;
3169     return VectorCallCost;
3170   }
3171   return Cost;
3172 }
3173
3174 // Estimate cost of an intrinsic call instruction CI if it were vectorized with
3175 // factor VF.  Return the cost of the instruction, including scalarization
3176 // overhead if it's needed.
3177 static unsigned getVectorIntrinsicCost(CallInst *CI, unsigned VF,
3178                                        const TargetTransformInfo &TTI,
3179                                        const TargetLibraryInfo *TLI) {
3180   Intrinsic::ID ID = getVectorIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
3181   assert(ID && "Expected intrinsic call!");
3182
3183   FastMathFlags FMF;
3184   if (auto *FPMO = dyn_cast<FPMathOperator>(CI))
3185     FMF = FPMO->getFastMathFlags();
3186
3187   SmallVector<Value *, 4> Operands(CI->arg_operands());
3188   return TTI.getIntrinsicInstrCost(ID, CI->getType(), Operands, FMF, VF);
3189 }
3190
3191 static Type *smallestIntegerVectorType(Type *T1, Type *T2) {
3192   auto *I1 = cast<IntegerType>(T1->getVectorElementType());
3193   auto *I2 = cast<IntegerType>(T2->getVectorElementType());
3194   return I1->getBitWidth() < I2->getBitWidth() ? T1 : T2;
3195 }
3196 static Type *largestIntegerVectorType(Type *T1, Type *T2) {
3197   auto *I1 = cast<IntegerType>(T1->getVectorElementType());
3198   auto *I2 = cast<IntegerType>(T2->getVectorElementType());
3199   return I1->getBitWidth() > I2->getBitWidth() ? T1 : T2;
3200 }
3201
3202 void InnerLoopVectorizer::truncateToMinimalBitwidths() {
3203   // For every instruction `I` in MinBWs, truncate the operands, create a
3204   // truncated version of `I` and reextend its result. InstCombine runs
3205   // later and will remove any ext/trunc pairs.
3206   SmallPtrSet<Value *, 4> Erased;
3207   for (const auto &KV : Cost->getMinimalBitwidths()) {
3208     // If the value wasn't vectorized, we must maintain the original scalar
3209     // type. The absence of the value from VectorLoopValueMap indicates that it
3210     // wasn't vectorized.
3211     if (!VectorLoopValueMap.hasAnyVectorValue(KV.first))
3212       continue;
3213     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3214       Value *I = getOrCreateVectorValue(KV.first, Part);
3215       if (Erased.count(I) || I->use_empty() || !isa<Instruction>(I))
3216         continue;
3217       Type *OriginalTy = I->getType();
3218       Type *ScalarTruncatedTy =
3219           IntegerType::get(OriginalTy->getContext(), KV.second);
3220       Type *TruncatedTy = VectorType::get(ScalarTruncatedTy,
3221                                           OriginalTy->getVectorNumElements());
3222       if (TruncatedTy == OriginalTy)
3223         continue;
3224
3225       IRBuilder<> B(cast<Instruction>(I));
3226       auto ShrinkOperand = [&](Value *V) -> Value * {
3227         if (auto *ZI = dyn_cast<ZExtInst>(V))
3228           if (ZI->getSrcTy() == TruncatedTy)
3229             return ZI->getOperand(0);
3230         return B.CreateZExtOrTrunc(V, TruncatedTy);
3231       };
3232
3233       // The actual instruction modification depends on the instruction type,
3234       // unfortunately.
3235       Value *NewI = nullptr;
3236       if (auto *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(I)) {
3237         NewI = B.CreateBinOp(BO->getOpcode(), ShrinkOperand(BO->getOperand(0)),
3238                              ShrinkOperand(BO->getOperand(1)));
3239
3240         // Any wrapping introduced by shrinking this operation shouldn't be
3241         // considered undefined behavior. So, we can't unconditionally copy
3242         // arithmetic wrapping flags to NewI.
3243         cast<BinaryOperator>(NewI)->copyIRFlags(I, /*IncludeWrapFlags=*/false);
3244       } else if (auto *CI = dyn_cast<ICmpInst>(I)) {
3245         NewI =
3246             B.CreateICmp(CI->getPredicate(), ShrinkOperand(CI->getOperand(0)),
3247                          ShrinkOperand(CI->getOperand(1)));
3248       } else if (auto *SI = dyn_cast<SelectInst>(I)) {
3249         NewI = B.CreateSelect(SI->getCondition(),
3250                               ShrinkOperand(SI->getTrueValue()),
3251                               ShrinkOperand(SI->getFalseValue()));
3252       } else if (auto *CI = dyn_cast<CastInst>(I)) {
3253         switch (CI->getOpcode()) {
3254         default:
3255           llvm_unreachable("Unhandled cast!");
3256         case Instruction::Trunc:
3257           NewI = ShrinkOperand(CI->getOperand(0));
3258           break;
3259         case Instruction::SExt:
3260           NewI = B.CreateSExtOrTrunc(
3261               CI->getOperand(0),
3262               smallestIntegerVectorType(OriginalTy, TruncatedTy));
3263           break;
3264         case Instruction::ZExt:
3265           NewI = B.CreateZExtOrTrunc(
3266               CI->getOperand(0),
3267               smallestIntegerVectorType(OriginalTy, TruncatedTy));
3268           break;
3269         }
3270       } else if (auto *SI = dyn_cast<ShuffleVectorInst>(I)) {
3271         auto Elements0 = SI->getOperand(0)->getType()->getVectorNumElements();
3272         auto *O0 = B.CreateZExtOrTrunc(
3273             SI->getOperand(0), VectorType::get(ScalarTruncatedTy, Elements0));
3274         auto Elements1 = SI->getOperand(1)->getType()->getVectorNumElements();
3275         auto *O1 = B.CreateZExtOrTrunc(
3276             SI->getOperand(1), VectorType::get(ScalarTruncatedTy, Elements1));
3277
3278         NewI = B.CreateShuffleVector(O0, O1, SI->getMask());
3279       } else if (isa<LoadInst>(I) || isa<PHINode>(I)) {
3280         // Don't do anything with the operands, just extend the result.
3281         continue;
3282       } else if (auto *IE = dyn_cast<InsertElementInst>(I)) {
3283         auto Elements = IE->getOperand(0)->getType()->getVectorNumElements();
3284         auto *O0 = B.CreateZExtOrTrunc(
3285             IE->getOperand(0), VectorType::get(ScalarTruncatedTy, Elements));
3286         auto *O1 = B.CreateZExtOrTrunc(IE->getOperand(1), ScalarTruncatedTy);
3287         NewI = B.CreateInsertElement(O0, O1, IE->getOperand(2));
3288       } else if (auto *EE = dyn_cast<ExtractElementInst>(I)) {
3289         auto Elements = EE->getOperand(0)->getType()->getVectorNumElements();
3290         auto *O0 = B.CreateZExtOrTrunc(
3291             EE->getOperand(0), VectorType::get(ScalarTruncatedTy, Elements));
3292         NewI = B.CreateExtractElement(O0, EE->getOperand(2));
3293       } else {
3294         // If we don't know what to do, be conservative and don't do anything.
3295         continue;
3296       }
3297
3298       // Lastly, extend the result.
3299       NewI->takeName(cast<Instruction>(I));
3300       Value *Res = B.CreateZExtOrTrunc(NewI, OriginalTy);
3301       I->replaceAllUsesWith(Res);
3302       cast<Instruction>(I)->eraseFromParent();
3303       Erased.insert(I);
3304       VectorLoopValueMap.resetVectorValue(KV.first, Part, Res);
3305     }
3306   }
3307
3308   // We'll have created a bunch of ZExts that are now parentless. Clean up.
3309   for (const auto &KV : Cost->getMinimalBitwidths()) {
3310     // If the value wasn't vectorized, we must maintain the original scalar
3311     // type. The absence of the value from VectorLoopValueMap indicates that it
3312     // wasn't vectorized.
3313     if (!VectorLoopValueMap.hasAnyVectorValue(KV.first))
3314       continue;
3315     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3316       Value *I = getOrCreateVectorValue(KV.first, Part);
3317       ZExtInst *Inst = dyn_cast<ZExtInst>(I);
3318       if (Inst && Inst->use_empty()) {
3319         Value *NewI = Inst->getOperand(0);
3320         Inst->eraseFromParent();
3321         VectorLoopValueMap.resetVectorValue(KV.first, Part, NewI);
3322       }
3323     }
3324   }
3325 }
3326
3327 void InnerLoopVectorizer::fixVectorizedLoop() {
3328   // Insert truncates and extends for any truncated instructions as hints to
3329   // InstCombine.
3330   if (VF > 1)
3331     truncateToMinimalBitwidths();
3332
3333   // At this point every instruction in the original loop is widened to a
3334   // vector form. Now we need to fix the recurrences in the loop. These PHI
3335   // nodes are currently empty because we did not want to introduce cycles.
3336   // This is the second stage of vectorizing recurrences.
3337   fixCrossIterationPHIs();
3338
3339   // Update the dominator tree.
3340   //
3341   // FIXME: After creating the structure of the new loop, the dominator tree is
3342   //        no longer up-to-date, and it remains that way until we update it
3343   //        here. An out-of-date dominator tree is problematic for SCEV,
3344   //        because SCEVExpander uses it to guide code generation. The
3345   //        vectorizer use SCEVExpanders in several places. Instead, we should
3346   //        keep the dominator tree up-to-date as we go.
3347   updateAnalysis();
3348
3349   // Fix-up external users of the induction variables.
3350   for (auto &Entry : *Legal->getInductionVars())
3351     fixupIVUsers(Entry.first, Entry.second,
3352                  getOrCreateVectorTripCount(LI->getLoopFor(LoopVectorBody)),
3353                  IVEndValues[Entry.first], LoopMiddleBlock);
3354
3355   fixLCSSAPHIs();
3356   for (Instruction *PI : PredicatedInstructions)
3357     sinkScalarOperands(&*PI);
3358
3359   // Remove redundant induction instructions.
3360   cse(LoopVectorBody);
3361 }
3362
3363 void InnerLoopVectorizer::fixCrossIterationPHIs() {
3364   // In order to support recurrences we need to be able to vectorize Phi nodes.
3365   // Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two stages. This is
3366   // stage #2: We now need to fix the recurrences by adding incoming edges to
3367   // the currently empty PHI nodes. At this point every instruction in the
3368   // original loop is widened to a vector form so we can use them to construct
3369   // the incoming edges.
3370   for (PHINode &Phi : OrigLoop->getHeader()->phis()) {
3371     // Handle first-order recurrences and reductions that need to be fixed.
3372     if (Legal->isFirstOrderRecurrence(&Phi))
3373       fixFirstOrderRecurrence(&Phi);
3374     else if (Legal->isReductionVariable(&Phi))
3375       fixReduction(&Phi);
3376   }
3377 }
3378
3379 void InnerLoopVectorizer::fixFirstOrderRecurrence(PHINode *Phi) {
3380   // This is the second phase of vectorizing first-order recurrences. An
3381   // overview of the transformation is described below. Suppose we have the
3382   // following loop.
3383   //
3384   //   for (int i = 0; i < n; ++i)
3385   //     b[i] = a[i] - a[i - 1];
3386   //
3387   // There is a first-order recurrence on "a". For this loop, the shorthand
3388   // scalar IR looks like:
3389   //
3390   //   scalar.ph:
3391   //     s_init = a[-1]
3392   //     br scalar.body
3393   //
3394   //   scalar.body:
3395   //     i = phi [0, scalar.ph], [i+1, scalar.body]
3396   //     s1 = phi [s_init, scalar.ph], [s2, scalar.body]
3397   //     s2 = a[i]
3398   //     b[i] = s2 - s1
3399   //     br cond, scalar.body, ...
3400   //
3401   // In this example, s1 is a recurrence because it's value depends on the
3402   // previous iteration. In the first phase of vectorization, we created a
3403   // temporary value for s1. We now complete the vectorization and produce the
3404   // shorthand vector IR shown below (for VF = 4, UF = 1).
3405   //
3406   //   vector.ph:
3407   //     v_init = vector(..., ..., ..., a[-1])
3408   //     br vector.body
3409   //
3410   //   vector.body
3411   //     i = phi [0, vector.ph], [i+4, vector.body]
3412   //     v1 = phi [v_init, vector.ph], [v2, vector.body]
3413   //     v2 = a[i, i+1, i+2, i+3];
3414   //     v3 = vector(v1(3), v2(0, 1, 2))
3415   //     b[i, i+1, i+2, i+3] = v2 - v3
3416   //     br cond, vector.body, middle.block
3417   //
3418   //   middle.block:
3419   //     x = v2(3)
3420   //     br scalar.ph
3421   //
3422   //   scalar.ph:
3423   //     s_init = phi [x, middle.block], [a[-1], otherwise]
3424   //     br scalar.body
3425   //
3426   // After execution completes the vector loop, we extract the next value of
3427   // the recurrence (x) to use as the initial value in the scalar loop.
3428
3429   // Get the original loop preheader and single loop latch.
3430   auto *Preheader = OrigLoop->getLoopPreheader();
3431   auto *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
3432
3433   // Get the initial and previous values of the scalar recurrence.
3434   auto *ScalarInit = Phi->getIncomingValueForBlock(Preheader);
3435   auto *Previous = Phi->getIncomingValueForBlock(Latch);
3436
3437   // Create a vector from the initial value.
3438   auto *VectorInit = ScalarInit;
3439   if (VF > 1) {
3440     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
3441     VectorInit = Builder.CreateInsertElement(
3442         UndefValue::get(VectorType::get(VectorInit->getType(), VF)), VectorInit,
3443         Builder.getInt32(VF - 1), "vector.recur.init");
3444   }
3445
3446   // We constructed a temporary phi node in the first phase of vectorization.
3447   // This phi node will eventually be deleted.
3448   Builder.SetInsertPoint(
3449       cast<Instruction>(VectorLoopValueMap.getVectorValue(Phi, 0)));
3450
3451   // Create a phi node for the new recurrence. The current value will either be
3452   // the initial value inserted into a vector or loop-varying vector value.
3453   auto *VecPhi = Builder.CreatePHI(VectorInit->getType(), 2, "vector.recur");
3454   VecPhi->addIncoming(VectorInit, LoopVectorPreHeader);
3455
3456   // Get the vectorized previous value of the last part UF - 1. It appears last
3457   // among all unrolled iterations, due to the order of their construction.
3458   Value *PreviousLastPart = getOrCreateVectorValue(Previous, UF - 1);
3459
3460   // Set the insertion point after the previous value if it is an instruction.
3461   // Note that the previous value may have been constant-folded so it is not
3462   // guaranteed to be an instruction in the vector loop. Also, if the previous
3463   // value is a phi node, we should insert after all the phi nodes to avoid
3464   // breaking basic block verification.
3465   if (LI->getLoopFor(LoopVectorBody)->isLoopInvariant(PreviousLastPart) ||
3466       isa<PHINode>(PreviousLastPart))
3467     Builder.SetInsertPoint(&*LoopVectorBody->getFirstInsertionPt());
3468   else
3469     Builder.SetInsertPoint(
3470         &*++BasicBlock::iterator(cast<Instruction>(PreviousLastPart)));
3471
3472   // We will construct a vector for the recurrence by combining the values for
3473   // the current and previous iterations. This is the required shuffle mask.
3474   SmallVector<Constant *, 8> ShuffleMask(VF);
3475   ShuffleMask[0] = Builder.getInt32(VF - 1);
3476   for (unsigned I = 1; I < VF; ++I)
3477     ShuffleMask[I] = Builder.getInt32(I + VF - 1);
3478
3479   // The vector from which to take the initial value for the current iteration
3480   // (actual or unrolled). Initially, this is the vector phi node.
3481   Value *Incoming = VecPhi;
3482
3483   // Shuffle the current and previous vector and update the vector parts.
3484   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3485     Value *PreviousPart = getOrCreateVectorValue(Previous, Part);
3486     Value *PhiPart = VectorLoopValueMap.getVectorValue(Phi, Part);
3487     auto *Shuffle =
3488         VF > 1 ? Builder.CreateShuffleVector(Incoming, PreviousPart,
3489                                              ConstantVector::get(ShuffleMask))
3490                : Incoming;
3491     PhiPart->replaceAllUsesWith(Shuffle);
3492     cast<Instruction>(PhiPart)->eraseFromParent();
3493     VectorLoopValueMap.resetVectorValue(Phi, Part, Shuffle);
3494     Incoming = PreviousPart;
3495   }
3496
3497   // Fix the latch value of the new recurrence in the vector loop.
3498   VecPhi->addIncoming(Incoming, LI->getLoopFor(LoopVectorBody)->getLoopLatch());
3499
3500   // Extract the last vector element in the middle block. This will be the
3501   // initial value for the recurrence when jumping to the scalar loop.
3502   auto *ExtractForScalar = Incoming;
3503   if (VF > 1) {
3504     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getTerminator());
3505     ExtractForScalar = Builder.CreateExtractElement(
3506         ExtractForScalar, Builder.getInt32(VF - 1), "vector.recur.extract");
3507   }
3508   // Extract the second last element in the middle block if the
3509   // Phi is used outside the loop. We need to extract the phi itself
3510   // and not the last element (the phi update in the current iteration). This
3511   // will be the value when jumping to the exit block from the LoopMiddleBlock,
3512   // when the scalar loop is not run at all.
3513   Value *ExtractForPhiUsedOutsideLoop = nullptr;
3514   if (VF > 1)
3515     ExtractForPhiUsedOutsideLoop = Builder.CreateExtractElement(
3516         Incoming, Builder.getInt32(VF - 2), "vector.recur.extract.for.phi");
3517   // When loop is unrolled without vectorizing, initialize
3518   // ExtractForPhiUsedOutsideLoop with the value just prior to unrolled value of
3519   // `Incoming`. This is analogous to the vectorized case above: extracting the
3520   // second last element when VF > 1.
3521   else if (UF > 1)
3522     ExtractForPhiUsedOutsideLoop = getOrCreateVectorValue(Previous, UF - 2);
3523
3524   // Fix the initial value of the original recurrence in the scalar loop.
3525   Builder.SetInsertPoint(&*LoopScalarPreHeader->begin());
3526   auto *Start = Builder.CreatePHI(Phi->getType(), 2, "scalar.recur.init");
3527   for (auto *BB : predecessors(LoopScalarPreHeader)) {
3528     auto *Incoming = BB == LoopMiddleBlock ? ExtractForScalar : ScalarInit;
3529     Start->addIncoming(Incoming, BB);
3530   }
3531
3532   Phi->setIncomingValue(Phi->getBasicBlockIndex(LoopScalarPreHeader), Start);
3533   Phi->setName("scalar.recur");
3534
3535   // Finally, fix users of the recurrence outside the loop. The users will need
3536   // either the last value of the scalar recurrence or the last value of the
3537   // vector recurrence we extracted in the middle block. Since the loop is in
3538   // LCSSA form, we just need to find all the phi nodes for the original scalar
3539   // recurrence in the exit block, and then add an edge for the middle block.
3540   for (PHINode &LCSSAPhi : LoopExitBlock->phis()) {
3541     if (LCSSAPhi.getIncomingValue(0) == Phi) {
3542       LCSSAPhi.addIncoming(ExtractForPhiUsedOutsideLoop, LoopMiddleBlock);
3543     }
3544   }
3545 }
3546
3547 void InnerLoopVectorizer::fixReduction(PHINode *Phi) {
3548   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
3549
3550   // Get it's reduction variable descriptor.
3551   assert(Legal->isReductionVariable(Phi) &&
3552          "Unable to find the reduction variable");
3553   RecurrenceDescriptor RdxDesc = (*Legal->getReductionVars())[Phi];
3554
3555   RecurrenceDescriptor::RecurrenceKind RK = RdxDesc.getRecurrenceKind();
3556   TrackingVH<Value> ReductionStartValue = RdxDesc.getRecurrenceStartValue();
3557   Instruction *LoopExitInst = RdxDesc.getLoopExitInstr();
3558   RecurrenceDescriptor::MinMaxRecurrenceKind MinMaxKind =
3559     RdxDesc.getMinMaxRecurrenceKind();
3560   setDebugLocFromInst(Builder, ReductionStartValue);
3561
3562   // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
3563   // To do so, we need to generate the 'identity' vector and override
3564   // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
3565   // to do it in the vector-loop preheader.
3566   Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
3567
3568   // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
3569   Type *VecTy = getOrCreateVectorValue(LoopExitInst, 0)->getType();
3570
3571   // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
3572   // one for multiplication, -1 for And.
3573   Value *Identity;
3574   Value *VectorStart;
3575   if (RK == RecurrenceDescriptor::RK_IntegerMinMax ||
3576       RK == RecurrenceDescriptor::RK_FloatMinMax) {
3577     // MinMax reduction have the start value as their identify.
3578     if (VF == 1) {
3579       VectorStart = Identity = ReductionStartValue;
3580     } else {
3581       VectorStart = Identity =
3582         Builder.CreateVectorSplat(VF, ReductionStartValue, "minmax.ident");
3583     }
3584   } else {
3585     // Handle other reduction kinds:
3586     Constant *Iden = RecurrenceDescriptor::getRecurrenceIdentity(
3587         RK, VecTy->getScalarType());
3588     if (VF == 1) {
3589       Identity = Iden;
3590       // This vector is the Identity vector where the first element is the
3591       // incoming scalar reduction.
3592       VectorStart = ReductionStartValue;
3593     } else {
3594       Identity = ConstantVector::getSplat(VF, Iden);
3595
3596       // This vector is the Identity vector where the first element is the
3597       // incoming scalar reduction.
3598       VectorStart =
3599         Builder.CreateInsertElement(Identity, ReductionStartValue, Zero);
3600     }
3601   }
3602
3603   // Fix the vector-loop phi.
3604
3605   // Reductions do not have to start at zero. They can start with
3606   // any loop invariant values.
3607   BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
3608   Value *LoopVal = Phi->getIncomingValueForBlock(Latch);
3609   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3610     Value *VecRdxPhi = getOrCreateVectorValue(Phi, Part);
3611     Value *Val = getOrCreateVectorValue(LoopVal, Part);
3612     // Make sure to add the reduction stat value only to the
3613     // first unroll part.
3614     Value *StartVal = (Part == 0) ? VectorStart : Identity;
3615     cast<PHINode>(VecRdxPhi)->addIncoming(StartVal, LoopVectorPreHeader);
3616     cast<PHINode>(VecRdxPhi)
3617       ->addIncoming(Val, LI->getLoopFor(LoopVectorBody)->getLoopLatch());
3618   }
3619
3620   // Before each round, move the insertion point right between
3621   // the PHIs and the values we are going to write.
3622   // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
3623   // instructions.
3624   Builder.SetInsertPoint(&*LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
3625
3626   setDebugLocFromInst(Builder, LoopExitInst);
3627
3628   // If the vector reduction can be performed in a smaller type, we truncate
3629   // then extend the loop exit value to enable InstCombine to evaluate the
3630   // entire expression in the smaller type.
3631   if (VF > 1 && Phi->getType() != RdxDesc.getRecurrenceType()) {
3632     Type *RdxVecTy = VectorType::get(RdxDesc.getRecurrenceType(), VF);
3633     Builder.SetInsertPoint(
3634         LI->getLoopFor(LoopVectorBody)->getLoopLatch()->getTerminator());
3635     VectorParts RdxParts(UF);
3636     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3637       RdxParts[Part] = VectorLoopValueMap.getVectorValue(LoopExitInst, Part);
3638       Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(RdxParts[Part], RdxVecTy);
3639       Value *Extnd = RdxDesc.isSigned() ? Builder.CreateSExt(Trunc, VecTy)
3640                                         : Builder.CreateZExt(Trunc, VecTy);
3641       for (Value::user_iterator UI = RdxParts[Part]->user_begin();
3642            UI != RdxParts[Part]->user_end();)
3643         if (*UI != Trunc) {
3644           (*UI++)->replaceUsesOfWith(RdxParts[Part], Extnd);
3645           RdxParts[Part] = Extnd;
3646         } else {
3647           ++UI;
3648         }
3649     }
3650     Builder.SetInsertPoint(&*LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
3651     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3652       RdxParts[Part] = Builder.CreateTrunc(RdxParts[Part], RdxVecTy);
3653       VectorLoopValueMap.resetVectorValue(LoopExitInst, Part, RdxParts[Part]);
3654     }
3655   }
3656
3657   // Reduce all of the unrolled parts into a single vector.
3658   Value *ReducedPartRdx = VectorLoopValueMap.getVectorValue(LoopExitInst, 0);
3659   unsigned Op = RecurrenceDescriptor::getRecurrenceBinOp(RK);
3660   setDebugLocFromInst(Builder, ReducedPartRdx);
3661   for (unsigned Part = 1; Part < UF; ++Part) {
3662     Value *RdxPart = VectorLoopValueMap.getVectorValue(LoopExitInst, Part);
3663     if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
3664       // Floating point operations had to be 'fast' to enable the reduction.
3665       ReducedPartRdx = addFastMathFlag(
3666           Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op, RdxPart,
3667                               ReducedPartRdx, "bin.rdx"));
3668     else
3669       ReducedPartRdx = RecurrenceDescriptor::createMinMaxOp(
3670           Builder, MinMaxKind, ReducedPartRdx, RdxPart);
3671   }
3672
3673   if (VF > 1) {
3674     bool NoNaN = Legal->hasFunNoNaNAttr();
3675     ReducedPartRdx =
3676         createTargetReduction(Builder, TTI, RdxDesc, ReducedPartRdx, NoNaN);
3677     // If the reduction can be performed in a smaller type, we need to extend
3678     // the reduction to the wider type before we branch to the original loop.
3679     if (Phi->getType() != RdxDesc.getRecurrenceType())
3680       ReducedPartRdx =
3681         RdxDesc.isSigned()
3682         ? Builder.CreateSExt(ReducedPartRdx, Phi->getType())
3683         : Builder.CreateZExt(ReducedPartRdx, Phi->getType());
3684   }
3685
3686   // Create a phi node that merges control-flow from the backedge-taken check
3687   // block and the middle block.
3688   PHINode *BCBlockPhi = PHINode::Create(Phi->getType(), 2, "bc.merge.rdx",
3689                                         LoopScalarPreHeader->getTerminator());
3690   for (unsigned I = 0, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
3691     BCBlockPhi->addIncoming(ReductionStartValue, LoopBypassBlocks[I]);
3692   BCBlockPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
3693
3694   // Now, we need to fix the users of the reduction variable
3695   // inside and outside of the scalar remainder loop.
3696   // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
3697   // PHI nodes in the exit blocks.
3698   for (PHINode &LCSSAPhi : LoopExitBlock->phis()) {
3699     // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
3700     // we already fixed them.
3701     assert(LCSSAPhi.getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
3702
3703     // We found a reduction value exit-PHI. Update it with the
3704     // incoming bypass edge.
3705     if (LCSSAPhi.getIncomingValue(0) == LoopExitInst)
3706       LCSSAPhi.addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
3707   } // end of the LCSSA phi scan.
3708
3709     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
3710     // from the vector body and from the backedge value.
3711   int IncomingEdgeBlockIdx =
3712     Phi->getBasicBlockIndex(OrigLoop->getLoopLatch());
3713   assert(IncomingEdgeBlockIdx >= 0 && "Invalid block index");
3714   // Pick the other block.
3715   int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1);
3716   Phi->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, BCBlockPhi);
3717   Phi->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, LoopExitInst);
3718 }
3719
3720 void InnerLoopVectorizer::fixLCSSAPHIs() {
3721   for (PHINode &LCSSAPhi : LoopExitBlock->phis()) {
3722     if (LCSSAPhi.getNumIncomingValues() == 1) {
3723       assert(OrigLoop->isLoopInvariant(LCSSAPhi.getIncomingValue(0)) &&
3724              "Incoming value isn't loop invariant");
3725       LCSSAPhi.addIncoming(LCSSAPhi.getIncomingValue(0), LoopMiddleBlock);
3726     }
3727   }
3728 }
3729
3730 void InnerLoopVectorizer::sinkScalarOperands(Instruction *PredInst) {
3731   // The basic block and loop containing the predicated instruction.
3732   auto *PredBB = PredInst->getParent();
3733   auto *VectorLoop = LI->getLoopFor(PredBB);
3734
3735   // Initialize a worklist with the operands of the predicated instruction.
3736   SetVector<Value *> Worklist(PredInst->op_begin(), PredInst->op_end());
3737
3738   // Holds instructions that we need to analyze again. An instruction may be
3739   // reanalyzed if we don't yet know if we can sink it or not.
3740   SmallVector<Instruction *, 8> InstsToReanalyze;
3741
3742   // Returns true if a given use occurs in the predicated block. Phi nodes use
3743   // their operands in their corresponding predecessor blocks.
3744   auto isBlockOfUsePredicated = [&](Use &U) -> bool {
3745     auto *I = cast<Instruction>(U.getUser());
3746     BasicBlock *BB = I->getParent();
3747     if (auto *Phi = dyn_cast<PHINode>(I))
3748       BB = Phi->getIncomingBlock(
3749           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo()));
3750     return BB == PredBB;
3751   };
3752
3753   // Iteratively sink the scalarized operands of the predicated instruction
3754   // into the block we created for it. When an instruction is sunk, it's
3755   // operands are then added to the worklist. The algorithm ends after one pass
3756   // through the worklist doesn't sink a single instruction.
3757   bool Changed;
3758   do {
3759     // Add the instructions that need to be reanalyzed to the worklist, and
3760     // reset the changed indicator.
3761     Worklist.insert(InstsToReanalyze.begin(), InstsToReanalyze.end());
3762     InstsToReanalyze.clear();
3763     Changed = false;
3764
3765     while (!Worklist.empty()) {
3766       auto *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.pop_back_val());
3767
3768       // We can't sink an instruction if it is a phi node, is already in the
3769       // predicated block, is not in the loop, or may have side effects.
3770       if (!I || isa<PHINode>(I) || I->getParent() == PredBB ||
3771           !VectorLoop->contains(I) || I->mayHaveSideEffects())
3772         continue;
3773
3774       // It's legal to sink the instruction if all its uses occur in the
3775       // predicated block. Otherwise, there's nothing to do yet, and we may
3776       // need to reanalyze the instruction.
3777       if (!llvm::all_of(I->uses(), isBlockOfUsePredicated)) {
3778         InstsToReanalyze.push_back(I);
3779         continue;
3780       }
3781
3782       // Move the instruction to the beginning of the predicated block, and add
3783       // it's operands to the worklist.
3784       I->moveBefore(&*PredBB->getFirstInsertionPt());
3785       Worklist.insert(I->op_begin(), I->op_end());
3786
3787       // The sinking may have enabled other instructions to be sunk, so we will
3788       // need to iterate.
3789       Changed = true;
3790     }
3791   } while (Changed);
3792 }
3793
3794 void InnerLoopVectorizer::widenPHIInstruction(Instruction *PN, unsigned UF,
3795                                               unsigned VF) {
3796   assert(PN->getParent() == OrigLoop->getHeader() &&
3797          "Non-header phis should have been handled elsewhere");
3798
3799   PHINode *P = cast<PHINode>(PN);
3800   // In order to support recurrences we need to be able to vectorize Phi nodes.
3801   // Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two stages. This is
3802   // stage #1: We create a new vector PHI node with no incoming edges. We'll use
3803   // this value when we vectorize all of the instructions that use the PHI.
3804   if (Legal->isReductionVariable(P) || Legal->isFirstOrderRecurrence(P)) {
3805     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3806       // This is phase one of vectorizing PHIs.
3807       Type *VecTy =
3808           (VF == 1) ? PN->getType() : VectorType::get(PN->getType(), VF);
3809       Value *EntryPart = PHINode::Create(
3810           VecTy, 2, "vec.phi", &*LoopVectorBody->getFirstInsertionPt());
3811       VectorLoopValueMap.setVectorValue(P, Part, EntryPart);
3812     }
3813     return;
3814   }
3815
3816   setDebugLocFromInst(Builder, P);
3817
3818   // This PHINode must be an induction variable.
3819   // Make sure that we know about it.
3820   assert(Legal->getInductionVars()->count(P) && "Not an induction variable");
3821
3822   InductionDescriptor II = Legal->getInductionVars()->lookup(P);
3823   const DataLayout &DL = OrigLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
3824
3825   // FIXME: The newly created binary instructions should contain nsw/nuw flags,
3826   // which can be found from the original scalar operations.
3827   switch (II.getKind()) {
3828   case InductionDescriptor::IK_NoInduction:
3829     llvm_unreachable("Unknown induction");
3830   case InductionDescriptor::IK_IntInduction:
3831   case InductionDescriptor::IK_FpInduction:
3832     llvm_unreachable("Integer/fp induction is handled elsewhere.");
3833   case InductionDescriptor::IK_PtrInduction: {
3834     // Handle the pointer induction variable case.
3835     assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
3836     // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
3837     Value *PtrInd = Induction;
3838     PtrInd = Builder.CreateSExtOrTrunc(PtrInd, II.getStep()->getType());
3839     // Determine the number of scalars we need to generate for each unroll
3840     // iteration. If the instruction is uniform, we only need to generate the
3841     // first lane. Otherwise, we generate all VF values.
3842     unsigned Lanes = Cost->isUniformAfterVectorization(P, VF) ? 1 : VF;
3843     // These are the scalar results. Notice that we don't generate vector GEPs
3844     // because scalar GEPs result in better code.
3845     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3846       for (unsigned Lane = 0; Lane < Lanes; ++Lane) {
3847         Constant *Idx = ConstantInt::get(PtrInd->getType(), Lane + Part * VF);
3848         Value *GlobalIdx = Builder.CreateAdd(PtrInd, Idx);
3849         Value *SclrGep = II.transform(Builder, GlobalIdx, PSE.getSE(), DL);
3850         SclrGep->setName("next.gep");
3851         VectorLoopValueMap.setScalarValue(P, {Part, Lane}, SclrGep);
3852       }
3853     }
3854     return;
3855   }
3856   }
3857 }
3858
3859 /// A helper function for checking whether an integer division-related
3860 /// instruction may divide by zero (in which case it must be predicated if
3861 /// executed conditionally in the scalar code).
3862 /// TODO: It may be worthwhile to generalize and check isKnownNonZero().
3863 /// Non-zero divisors that are non compile-time constants will not be
3864 /// converted into multiplication, so we will still end up scalarizing
3865 /// the division, but can do so w/o predication.
3866 static bool mayDivideByZero(Instruction &I) {
3867   assert((I.getOpcode() == Instruction::UDiv ||
3868           I.getOpcode() == Instruction::SDiv ||
3869           I.getOpcode() == Instruction::URem ||
3870           I.getOpcode() == Instruction::SRem) &&
3871          "Unexpected instruction");
3872   Value *Divisor = I.getOperand(1);
3873   auto *CInt = dyn_cast<ConstantInt>(Divisor);
3874   return !CInt || CInt->isZero();
3875 }
3876
3877 void InnerLoopVectorizer::widenInstruction(Instruction &I) {
3878   switch (I.getOpcode()) {
3879   case Instruction::Br:
3880   case Instruction::PHI:
3881     llvm_unreachable("This instruction is handled by a different recipe.");
3882   case Instruction::GetElementPtr: {
3883     // Construct a vector GEP by widening the operands of the scalar GEP as
3884     // necessary. We mark the vector GEP 'inbounds' if appropriate. A GEP
3885     // results in a vector of pointers when at least one operand of the GEP
3886     // is vector-typed. Thus, to keep the representation compact, we only use
3887     // vector-typed operands for loop-varying values.
3888     auto *GEP = cast<GetElementPtrInst>(&I);
3889
3890     if (VF > 1 && OrigLoop->hasLoopInvariantOperands(GEP)) {
3891       // If we are vectorizing, but the GEP has only loop-invariant operands,
3892       // the GEP we build (by only using vector-typed operands for
3893       // loop-varying values) would be a scalar pointer. Thus, to ensure we
3894       // produce a vector of pointers, we need to either arbitrarily pick an
3895       // operand to broadcast, or broadcast a clone of the original GEP.
3896       // Here, we broadcast a clone of the original.
3897       //
3898       // TODO: If at some point we decide to scalarize instructions having
3899       //       loop-invariant operands, this special case will no longer be
3900       //       required. We would add the scalarization decision to
3901       //       collectLoopScalars() and teach getVectorValue() to broadcast
3902       //       the lane-zero scalar value.
3903       auto *Clone = Builder.Insert(GEP->clone());
3904       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3905         Value *EntryPart = Builder.CreateVectorSplat(VF, Clone);
3906         VectorLoopValueMap.setVectorValue(&I, Part, EntryPart);
3907         addMetadata(EntryPart, GEP);
3908       }
3909     } else {
3910       // If the GEP has at least one loop-varying operand, we are sure to
3911       // produce a vector of pointers. But if we are only unrolling, we want
3912       // to produce a scalar GEP for each unroll part. Thus, the GEP we
3913       // produce with the code below will be scalar (if VF == 1) or vector
3914       // (otherwise). Note that for the unroll-only case, we still maintain
3915       // values in the vector mapping with initVector, as we do for other
3916       // instructions.
3917       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3918         // The pointer operand of the new GEP. If it's loop-invariant, we
3919         // won't broadcast it.
3920         auto *Ptr =
3921             OrigLoop->isLoopInvariant(GEP->getPointerOperand())
3922                 ? GEP->getPointerOperand()
3923                 : getOrCreateVectorValue(GEP->getPointerOperand(), Part);
3924
3925         // Collect all the indices for the new GEP. If any index is
3926         // loop-invariant, we won't broadcast it.
3927         SmallVector<Value *, 4> Indices;
3928         for (auto &U : make_range(GEP->idx_begin(), GEP->idx_end())) {
3929           if (OrigLoop->isLoopInvariant(U.get()))
3930             Indices.push_back(U.get());
3931           else
3932             Indices.push_back(getOrCreateVectorValue(U.get(), Part));
3933         }
3934
3935         // Create the new GEP. Note that this GEP may be a scalar if VF == 1,
3936         // but it should be a vector, otherwise.
3937         auto *NewGEP = GEP->isInBounds()
3938                            ? Builder.CreateInBoundsGEP(Ptr, Indices)
3939                            : Builder.CreateGEP(Ptr, Indices);
3940         assert((VF == 1 || NewGEP->getType()->isVectorTy()) &&
3941                "NewGEP is not a pointer vector");
3942         VectorLoopValueMap.setVectorValue(&I, Part, NewGEP);
3943         addMetadata(NewGEP, GEP);
3944       }
3945     }
3946
3947     break;
3948   }
3949   case Instruction::UDiv:
3950   case Instruction::SDiv:
3951   case Instruction::SRem:
3952   case Instruction::URem:
3953   case Instruction::Add:
3954   case Instruction::FAdd:
3955   case Instruction::Sub:
3956   case Instruction::FSub:
3957   case Instruction::Mul:
3958   case Instruction::FMul:
3959   case Instruction::FDiv:
3960   case Instruction::FRem:
3961   case Instruction::Shl:
3962   case Instruction::LShr:
3963   case Instruction::AShr:
3964   case Instruction::And:
3965   case Instruction::Or:
3966   case Instruction::Xor: {
3967     // Just widen binops.
3968     auto *BinOp = cast<BinaryOperator>(&I);
3969     setDebugLocFromInst(Builder, BinOp);
3970
3971     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3972       Value *A = getOrCreateVectorValue(BinOp->getOperand(0), Part);
3973       Value *B = getOrCreateVectorValue(BinOp->getOperand(1), Part);
3974       Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A, B);
3975
3976       if (BinaryOperator *VecOp = dyn_cast<BinaryOperator>(V))
3977         VecOp->copyIRFlags(BinOp);
3978
3979       // Use this vector value for all users of the original instruction.
3980       VectorLoopValueMap.setVectorValue(&I, Part, V);
3981       addMetadata(V, BinOp);
3982     }
3983
3984     break;
3985   }
3986   case Instruction::Select: {
3987     // Widen selects.
3988     // If the selector is loop invariant we can create a select
3989     // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
3990     auto *SE = PSE.getSE();
3991     bool InvariantCond =
3992         SE->isLoopInvariant(PSE.getSCEV(I.getOperand(0)), OrigLoop);
3993     setDebugLocFromInst(Builder, &I);
3994
3995     // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
3996     // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
3997     // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
3998     // Instcombine will make this a no-op.
3999
4000     auto *ScalarCond = getOrCreateScalarValue(I.getOperand(0), {0, 0});
4001
4002     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
4003       Value *Cond = getOrCreateVectorValue(I.getOperand(0), Part);
4004       Value *Op0 = getOrCreateVectorValue(I.getOperand(1), Part);
4005       Value *Op1 = getOrCreateVectorValue(I.getOperand(2), Part);
4006       Value *Sel =
4007           Builder.CreateSelect(InvariantCond ? ScalarCond : Cond, Op0, Op1);
4008       VectorLoopValueMap.setVectorValue(&I, Part, Sel);
4009       addMetadata(Sel, &I);
4010     }
4011
4012     break;
4013   }
4014
4015   case Instruction::ICmp:
4016   case Instruction::FCmp: {
4017     // Widen compares. Generate vector compares.
4018     bool FCmp = (I.getOpcode() == Instruction::FCmp);
4019     auto *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(&I);
4020     setDebugLocFromInst(Builder, Cmp);
4021     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
4022       Value *A = getOrCreateVectorValue(Cmp->getOperand(0), Part);
4023       Value *B = getOrCreateVectorValue(Cmp->getOperand(1), Part);
4024       Value *C = nullptr;
4025       if (FCmp) {
4026         // Propagate fast math flags.
4027         IRBuilder<>::FastMathFlagGuard FMFG(Builder);
4028         Builder.setFastMathFlags(Cmp->getFastMathFlags());
4029         C = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A, B);
4030       } else {
4031         C = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A, B);
4032       }
4033       VectorLoopValueMap.setVectorValue(&I, Part, C);
4034       addMetadata(C, &I);
4035     }
4036
4037     break;
4038   }
4039
4040   case Instruction::ZExt:
4041   case Instruction::SExt:
4042   case Instruction::FPToUI:
4043   case Instruction::FPToSI:
4044   case Instruction::FPExt:
4045   case Instruction::PtrToInt:
4046   case Instruction::IntToPtr:
4047   case Instruction::SIToFP:
4048   case Instruction::UIToFP:
4049   case Instruction::Trunc:
4050   case Instruction::FPTrunc:
4051   case Instruction::BitCast: {
4052     auto *CI = dyn_cast<CastInst>(&I);
4053     setDebugLocFromInst(Builder, CI);
4054
4055     /// Vectorize casts.
4056     Type *DestTy =
4057         (VF == 1) ? CI->getType() : VectorType::get(CI->getType(), VF);
4058
4059     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
4060       Value *A = getOrCreateVectorValue(CI->getOperand(0), Part);
4061       Value *Cast = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A, DestTy);
4062       VectorLoopValueMap.setVectorValue(&I, Part, Cast);
4063       addMetadata(Cast, &I);
4064     }
4065     break;
4066   }
4067
4068   case Instruction::Call: {
4069     // Ignore dbg intrinsics.
4070     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
4071       break;
4072     setDebugLocFromInst(Builder, &I);
4073
4074     Module *M = I.getParent()->getParent()->getParent();
4075     auto *CI = cast<CallInst>(&I);
4076
4077     StringRef FnName = CI->getCalledFunction()->getName();
4078     Function *F = CI->getCalledFunction();
4079     Type *RetTy = ToVectorTy(CI->getType(), VF);
4080     SmallVector<Type *, 4> Tys;
4081     for (Value *ArgOperand : CI->arg_operands())
4082       Tys.push_back(ToVectorTy(ArgOperand->getType(), VF));
4083
4084     Intrinsic::ID ID = getVectorIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
4085
4086     // The flag shows whether we use Intrinsic or a usual Call for vectorized
4087     // version of the instruction.
4088     // Is it beneficial to perform intrinsic call compared to lib call?
4089     bool NeedToScalarize;
4090     unsigned CallCost = getVectorCallCost(CI, VF, *TTI, TLI, NeedToScalarize);
4091     bool UseVectorIntrinsic =
4092         ID && getVectorIntrinsicCost(CI, VF, *TTI, TLI) <= CallCost;
4093     assert((UseVectorIntrinsic || !NeedToScalarize) &&
4094            "Instruction should be scalarized elsewhere.");
4095
4096     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
4097       SmallVector<Value *, 4> Args;
4098       for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i) {
4099         Value *Arg = CI->getArgOperand(i);
4100         // Some intrinsics have a scalar argument - don't replace it with a
4101         // vector.
4102         if (!UseVectorIntrinsic || !hasVectorInstrinsicScalarOpd(ID, i))
4103           Arg = getOrCreateVectorValue(CI->getArgOperand(i), Part);
4104         Args.push_back(Arg);
4105       }
4106
4107       Function *VectorF;
4108       if (UseVectorIntrinsic) {
4109         // Use vector version of the intrinsic.
4110         Type *TysForDecl[] = {CI->getType()};
4111         if (VF > 1)
4112           TysForDecl[0] = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
4113         VectorF = Intrinsic::getDeclaration(M, ID, TysForDecl);
4114       } else {
4115         // Use vector version of the library call.
4116         StringRef VFnName = TLI->getVectorizedFunction(FnName, VF);
4117         assert(!VFnName.empty() && "Vector function name is empty.");
4118         VectorF = M->getFunction(VFnName);
4119         if (!VectorF) {
4120           // Generate a declaration
4121           FunctionType *FTy = FunctionType::get(RetTy, Tys, false);
4122           VectorF =
4123               Function::Create(FTy, Function::ExternalLinkage, VFnName, M);
4124           VectorF->copyAttributesFrom(F);
4125         }
4126       }
4127       assert(VectorF && "Can't create vector function.");
4128
4129       SmallVector<OperandBundleDef, 1> OpBundles;
4130       CI->getOperandBundlesAsDefs(OpBundles);
4131       CallInst *V = Builder.CreateCall(VectorF, Args, OpBundles);
4132
4133       if (isa<FPMathOperator>(V))
4134         V->copyFastMathFlags(CI);
4135
4136       VectorLoopValueMap.setVectorValue(&I, Part, V);
4137       addMetadata(V, &I);
4138     }
4139
4140     break;
4141   }
4142
4143   default:
4144     // This instruction is not vectorized by simple widening.
4145     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unhandled instruction: " << I);
4146     llvm_unreachable("Unhandled instruction!");
4147   } // end of switch.
4148 }
4149
4150 void InnerLoopVectorizer::updateAnalysis() {
4151   // Forget the original basic block.
4152   PSE.getSE()->forgetLoop(OrigLoop);
4153
4154   // Update the dominator tree information.
4155   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlocks.front(), LoopExitBlock) &&
4156          "Entry does not dominate exit.");
4157
4158   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock,
4159                   LI->getLoopFor(LoopVectorBody)->getLoopLatch());
4160   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopBypassBlocks[0]);
4161   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
4162   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopBypassBlocks[0]);
4163   assert(DT->verify(DominatorTree::VerificationLevel::Fast));
4164 }
4165
4166 void LoopVectorizationCostModel::collectLoopScalars(unsigned VF) {
4167   // We should not collect Scalars more than once per VF. Right now, this
4168   // function is called from collectUniformsAndScalars(), which already does
4169   // this check. Collecting Scalars for VF=1 does not make any sense.
4170   assert(VF >= 2 && !Scalars.count(VF) &&
4171          "This function should not be visited twice for the same VF");
4172
4173   SmallSetVector<Instruction *, 8> Worklist;
4174
4175   // These sets are used to seed the analysis with pointers used by memory
4176   // accesses that will remain scalar.
4177   SmallSetVector<Instruction *, 8> ScalarPtrs;
4178   SmallPtrSet<Instruction *, 8> PossibleNonScalarPtrs;
4179
4180   // A helper that returns true if the use of Ptr by MemAccess will be scalar.
4181   // The pointer operands of loads and stores will be scalar as long as the
4182   // memory access is not a gather or scatter operation. The value operand of a
4183   // store will remain scalar if the store is scalarized.
4184   auto isScalarUse = [&](Instruction *MemAccess, Value *Ptr) {
4185     InstWidening WideningDecision = getWideningDecision(MemAccess, VF);
4186     assert(WideningDecision != CM_Unknown &&
4187            "Widening decision should be ready at this moment");
4188     if (auto *Store = dyn_cast<StoreInst>(MemAccess))
4189       if (Ptr == Store->getValueOperand())
4190         return WideningDecision == CM_Scalarize;
4191     assert(Ptr == getLoadStorePointerOperand(MemAccess) &&
4192            "Ptr is neither a value or pointer operand");
4193     return WideningDecision != CM_GatherScatter;
4194   };
4195
4196   // A helper that returns true if the given value is a bitcast or
4197   // getelementptr instruction contained in the loop.
4198   auto isLoopVaryingBitCastOrGEP = [&](Value *V) {
4199     return ((isa<BitCastInst>(V) && V->getType()->isPointerTy()) ||
4200             isa<GetElementPtrInst>(V)) &&
4201            !TheLoop->isLoopInvariant(V);
4202   };
4203
4204   // A helper that evaluates a memory access's use of a pointer. If the use
4205   // will be a scalar use, and the pointer is only used by memory accesses, we
4206   // place the pointer in ScalarPtrs. Otherwise, the pointer is placed in
4207   // PossibleNonScalarPtrs.
4208   auto evaluatePtrUse = [&](Instruction *MemAccess, Value *Ptr) {
4209     // We only care about bitcast and getelementptr instructions contained in
4210     // the loop.
4211     if (!isLoopVaryingBitCastOrGEP(Ptr))
4212       return;
4213
4214     // If the pointer has already been identified as scalar (e.g., if it was
4215     // also identified as uniform), there's nothing to do.
4216     auto *I = cast<Instruction>(Ptr);
4217     if (Worklist.count(I))
4218       return;
4219
4220     // If the use of the pointer will be a scalar use, and all users of the
4221     // pointer are memory accesses, place the pointer in ScalarPtrs. Otherwise,
4222     // place the pointer in PossibleNonScalarPtrs.
4223     if (isScalarUse(MemAccess, Ptr) && llvm::all_of(I->users(), [&](User *U) {
4224           return isa<LoadInst>(U) || isa<StoreInst>(U);
4225         }))
4226       ScalarPtrs.insert(I);
4227     else
4228       PossibleNonScalarPtrs.insert(I);
4229   };
4230
4231   // We seed the scalars analysis with three classes of instructions: (1)
4232   // instructions marked uniform-after-vectorization, (2) bitcast and
4233   // getelementptr instructions used by memory accesses requiring a scalar use,
4234   // and (3) pointer induction variables and their update instructions (we
4235   // currently only scalarize these).
4236   //
4237   // (1) Add to the worklist all instructions that have been identified as
4238   // uniform-after-vectorization.
4239   Worklist.insert(Uniforms[VF].begin(), Uniforms[VF].end());
4240
4241   // (2) Add to the worklist all bitcast and getelementptr instructions used by
4242   // memory accesses requiring a scalar use. The pointer operands of loads and
4243   // stores will be scalar as long as the memory accesses is not a gather or
4244   // scatter operation. The value operand of a store will remain scalar if the
4245   // store is scalarized.
4246   for (auto *BB : TheLoop->blocks())
4247     for (auto &I : *BB) {
4248       if (auto *Load = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
4249         evaluatePtrUse(Load, Load->getPointerOperand());
4250       } else if (auto *Store = dyn_cast<StoreInst>(&I)) {
4251         evaluatePtrUse(Store, Store->getPointerOperand());
4252         evaluatePtrUse(Store, Store->getValueOperand());
4253       }
4254     }
4255   for (auto *I : ScalarPtrs)
4256     if (!PossibleNonScalarPtrs.count(I)) {
4257       LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found scalar instruction: " << *I << "\n");
4258       Worklist.insert(I);
4259     }
4260
4261   // (3) Add to the worklist all pointer induction variables and their update
4262   // instructions.
4263   //
4264   // TODO: Once we are able to vectorize pointer induction variables we should
4265   //       no longer insert them into the worklist here.
4266   auto *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
4267   for (auto &Induction : *Legal->getInductionVars()) {
4268     auto *Ind = Induction.first;
4269     auto *IndUpdate = cast<Instruction>(Ind->getIncomingValueForBlock(Latch));
4270     if (Induction.second.getKind() != InductionDescriptor::IK_PtrInduction)
4271       continue;
4272     Worklist.insert(Ind);
4273     Worklist.insert(IndUpdate);
4274     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found scalar instruction: " << *Ind << "\n");
4275     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found scalar instruction: " << *IndUpdate
4276                       << "\n");
4277   }
4278
4279   // Insert the forced scalars.
4280   // FIXME: Currently widenPHIInstruction() often creates a dead vector
4281   // induction variable when the PHI user is scalarized.
4282   if (ForcedScalars.count(VF))
4283     for (auto *I : ForcedScalars.find(VF)->second)
4284       Worklist.insert(I);
4285
4286   // Expand the worklist by looking through any bitcasts and getelementptr
4287   // instructions we've already identified as scalar. This is similar to the
4288   // expansion step in collectLoopUniforms(); however, here we're only
4289   // expanding to include additional bitcasts and getelementptr instructions.
4290   unsigned Idx = 0;
4291   while (Idx != Worklist.size()) {
4292     Instruction *Dst = Worklist[Idx++];
4293     if (!isLoopVaryingBitCastOrGEP(Dst->getOperand(0)))
4294       continue;
4295     auto *Src = cast<Instruction>(Dst->getOperand(0));
4296     if (llvm::all_of(Src->users(), [&](User *U) -> bool {
4297           auto *J = cast<Instruction>(U);
4298           return !TheLoop->contains(J) || Worklist.count(J) ||
4299                  ((isa<LoadInst>(J) || isa<StoreInst>(J)) &&
4300                   isScalarUse(J, Src));
4301         })) {
4302       Worklist.insert(Src);
4303       LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found scalar instruction: " << *Src << "\n");
4304     }
4305   }
4306
4307   // An induction variable will remain scalar if all users of the induction
4308   // variable and induction variable update remain scalar.
4309   for (auto &Induction : *Legal->getInductionVars()) {
4310     auto *Ind = Induction.first;
4311     auto *IndUpdate = cast<Instruction>(Ind->getIncomingValueForBlock(Latch));
4312
4313     // We already considered pointer induction variables, so there's no reason
4314     // to look at their users again.
4315     //
4316     // TODO: Once we are able to vectorize pointer induction variables we
4317     //       should no longer skip over them here.
4318     if (Induction.second.getKind() == InductionDescriptor::IK_PtrInduction)
4319       continue;
4320
4321     // Determine if all users of the induction variable are scalar after
4322     // vectorization.
4323     auto ScalarInd = llvm::all_of(Ind->users(), [&](User *U) -> bool {
4324       auto *I = cast<Instruction>(U);
4325       return I == IndUpdate || !TheLoop->contains(I) || Worklist.count(I);
4326     });
4327     if (!ScalarInd)
4328       continue;
4329
4330     // Determine if all users of the induction variable update instruction are
4331     // scalar after vectorization.
4332     auto ScalarIndUpdate =
4333         llvm::all_of(IndUpdate->users(), [&](User *U) -> bool {
4334           auto *I = cast<Instruction>(U);
4335           return I == Ind || !TheLoop->contains(I) || Worklist.count(I);
4336         });
4337     if (!ScalarIndUpdate)
4338       continue;
4339
4340     // The induction variable and its update instruction will remain scalar.
4341     Worklist.insert(Ind);
4342     Worklist.insert(IndUpdate);
4343     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found scalar instruction: " << *Ind << "\n");
4344     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found scalar instruction: " << *IndUpdate
4345                       << "\n");
4346   }
4347
4348   Scalars[VF].insert(Worklist.begin(), Worklist.end());
4349 }
4350
4351 bool LoopVectorizationCostModel::isScalarWithPredication(Instruction *I) {
4352   if (!Legal->blockNeedsPredication(I->getParent()))
4353     return false;
4354   switch(I->getOpcode()) {
4355   default:
4356     break;
4357   case Instruction::Load:
4358   case Instruction::Store: {
4359     if (!Legal->isMaskRequired(I))
4360       return false;
4361     auto *Ptr = getLoadStorePointerOperand(I);
4362     auto *Ty = getMemInstValueType(I);
4363     return isa<LoadInst>(I) ?
4364         !(isLegalMaskedLoad(Ty, Ptr)  || isLegalMaskedGather(Ty))
4365       : !(isLegalMaskedStore(Ty, Ptr) || isLegalMaskedScatter(Ty));
4366   }
4367   case Instruction::UDiv:
4368   case Instruction::SDiv:
4369   case Instruction::SRem:
4370   case Instruction::URem:
4371     return mayDivideByZero(*I);
4372   }
4373   return false;
4374 }
4375
4376 bool LoopVectorizationCostModel::memoryInstructionCanBeWidened(Instruction *I,
4377                                                                unsigned VF) {
4378   // Get and ensure we have a valid memory instruction.
4379   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I);
4380   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
4381   assert((LI || SI) && "Invalid memory instruction");
4382
4383   auto *Ptr = getLoadStorePointerOperand(I);
4384
4385   // In order to be widened, the pointer should be consecutive, first of all.
4386   if (!Legal->isConsecutivePtr(Ptr))
4387     return false;
4388
4389   // If the instruction is a store located in a predicated block, it will be
4390   // scalarized.
4391   if (isScalarWithPredication(I))
4392     return false;
4393
4394   // If the instruction's allocated size doesn't equal it's type size, it
4395   // requires padding and will be scalarized.
4396   auto &DL = I->getModule()->getDataLayout();
4397   auto *ScalarTy = LI ? LI->getType() : SI->getValueOperand()->getType();
4398   if (hasIrregularType(ScalarTy, DL, VF))
4399     return false;
4400
4401   return true;
4402 }
4403
4404 void LoopVectorizationCostModel::collectLoopUniforms(unsigned VF) {
4405   // We should not collect Uniforms more than once per VF. Right now,
4406   // this function is called from collectUniformsAndScalars(), which
4407   // already does this check. Collecting Uniforms for VF=1 does not make any
4408   // sense.
4409
4410   assert(VF >= 2 && !Uniforms.count(VF) &&
4411          "This function should not be visited twice for the same VF");
4412
4413   // Visit the list of Uniforms. If we'll not find any uniform value, we'll
4414   // not analyze again.  Uniforms.count(VF) will return 1.
4415   Uniforms[VF].clear();
4416
4417   // We now know that the loop is vectorizable!
4418   // Collect instructions inside the loop that will remain uniform after
4419   // vectorization.
4420
4421   // Global values, params and instructions outside of current loop are out of
4422   // scope.
4423   auto isOutOfScope = [&](Value *V) -> bool {
4424     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
4425     return (!I || !TheLoop->contains(I));
4426   };
4427
4428   SetVector<Instruction *> Worklist;
4429   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
4430
4431   // Start with the conditional branch. If the branch condition is an
4432   // instruction contained in the loop that is only used by the branch, it is
4433   // uniform.
4434   auto *Cmp = dyn_cast<Instruction>(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
4435   if (Cmp && TheLoop->contains(Cmp) && Cmp->hasOneUse()) {
4436     Worklist.insert(Cmp);
4437     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found uniform instruction: " << *Cmp << "\n");
4438   }
4439
4440   // Holds consecutive and consecutive-like pointers. Consecutive-like pointers
4441   // are pointers that are treated like consecutive pointers during
4442   // vectorization. The pointer operands of interleaved accesses are an
4443   // example.
4444   SmallSetVector<Instruction *, 8> ConsecutiveLikePtrs;
4445
4446   // Holds pointer operands of instructions that are possibly non-uniform.
4447   SmallPtrSet<Instruction *, 8> PossibleNonUniformPtrs;
4448
4449   auto isUniformDecision = [&](Instruction *I, unsigned VF) {
4450     InstWidening WideningDecision = getWideningDecision(I, VF);
4451     assert(WideningDecision != CM_Unknown &&
4452            "Widening decision should be ready at this moment");
4453
4454     return (WideningDecision == CM_Widen ||
4455             WideningDecision == CM_Widen_Reverse ||
4456             WideningDecision == CM_Interleave);
4457   };
4458   // Iterate over the instructions in the loop, and collect all
4459   // consecutive-like pointer operands in ConsecutiveLikePtrs. If it's possible
4460   // that a consecutive-like pointer operand will be scalarized, we collect it
4461   // in PossibleNonUniformPtrs instead. We use two sets here because a single
4462   // getelementptr instruction can be used by both vectorized and scalarized
4463   // memory instructions. For example, if a loop loads and stores from the same
4464   // location, but the store is conditional, the store will be scalarized, and
4465   // the getelementptr won't remain uniform.
4466   for (auto *BB : TheLoop->blocks())
4467     for (auto &I : *BB) {
4468       // If there's no pointer operand, there's nothing to do.
4469       auto *Ptr = dyn_cast_or_null<Instruction>(getLoadStorePointerOperand(&I));
4470       if (!Ptr)
4471         continue;
4472
4473       // True if all users of Ptr are memory accesses that have Ptr as their
4474       // pointer operand.
4475       auto UsersAreMemAccesses =
4476           llvm::all_of(Ptr->users(), [&](User *U) -> bool {
4477             return getLoadStorePointerOperand(U) == Ptr;
4478           });
4479
4480       // Ensure the memory instruction will not be scalarized or used by
4481       // gather/scatter, making its pointer operand non-uniform. If the pointer
4482       // operand is used by any instruction other than a memory access, we
4483       // conservatively assume the pointer operand may be non-uniform.
4484       if (!UsersAreMemAccesses || !isUniformDecision(&I, VF))
4485         PossibleNonUniformPtrs.insert(Ptr);
4486
4487       // If the memory instruction will be vectorized and its pointer operand
4488       // is consecutive-like, or interleaving - the pointer operand should
4489       // remain uniform.
4490       else
4491         ConsecutiveLikePtrs.insert(Ptr);
4492     }
4493
4494   // Add to the Worklist all consecutive and consecutive-like pointers that
4495   // aren't also identified as possibly non-uniform.
4496   for (auto *V : ConsecutiveLikePtrs)
4497     if (!PossibleNonUniformPtrs.count(V)) {
4498       LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found uniform instruction: " << *V << "\n");
4499       Worklist.insert(V);
4500     }
4501
4502   // Expand Worklist in topological order: whenever a new instruction
4503   // is added , its users should be either already inside Worklist, or
4504   // out of scope. It ensures a uniform instruction will only be used
4505   // by uniform instructions or out of scope instructions.
4506   unsigned idx = 0;
4507   while (idx != Worklist.size()) {
4508     Instruction *I = Worklist[idx++];
4509
4510     for (auto OV : I->operand_values()) {
4511       if (isOutOfScope(OV))
4512         continue;
4513       // First order recurrence Phi's should typically be considered
4514       // non-uniform.
4515       auto *OP = dyn_cast<PHINode>(OV);
4516       if (OP && Legal->isFirstOrderRecurrence(OP))
4517         continue;
4518       // If all the users of the operand are uniform, then add the
4519       // operand into the uniform worklist.
4520       auto *OI = cast<Instruction>(OV);
4521       if (llvm::all_of(OI->users(), [&](User *U) -> bool {
4522             auto *J = cast<Instruction>(U);
4523             return !TheLoop->contains(J) || Worklist.count(J) ||
4524                    (OI == getLoadStorePointerOperand(J) &&
4525                     isUniformDecision(J, VF));
4526           })) {
4527         Worklist.insert(OI);
4528         LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found uniform instruction: " << *OI << "\n");
4529       }
4530     }
4531   }
4532
4533   // Returns true if Ptr is the pointer operand of a memory access instruction
4534   // I, and I is known to not require scalarization.
4535   auto isVectorizedMemAccessUse = [&](Instruction *I, Value *Ptr) -> bool {
4536     return getLoadStorePointerOperand(I) == Ptr && isUniformDecision(I, VF);
4537   };
4538
4539   // For an instruction to be added into Worklist above, all its users inside
4540   // the loop should also be in Worklist. However, this condition cannot be
4541   // true for phi nodes that form a cyclic dependence. We must process phi
4542   // nodes separately. An induction variable will remain uniform if all users
4543   // of the induction variable and induction variable update remain uniform.
4544   // The code below handles both pointer and non-pointer induction variables.
4545   for (auto &Induction : *Legal->getInductionVars()) {
4546     auto *Ind = Induction.first;
4547     auto *IndUpdate = cast<Instruction>(Ind->getIncomingValueForBlock(Latch));
4548
4549     // Determine if all users of the induction variable are uniform after
4550     // vectorization.
4551     auto UniformInd = llvm::all_of(Ind->users(), [&](User *U) -> bool {
4552       auto *I = cast<Instruction>(U);
4553       return I == IndUpdate || !TheLoop->contains(I) || Worklist.count(I) ||
4554              isVectorizedMemAccessUse(I, Ind);
4555     });
4556     if (!UniformInd)
4557       continue;
4558
4559     // Determine if all users of the induction variable update instruction are
4560     // uniform after vectorization.
4561     auto UniformIndUpdate =
4562         llvm::all_of(IndUpdate->users(), [&](User *U) -> bool {
4563           auto *I = cast<Instruction>(U);
4564           return I == Ind || !TheLoop->contains(I) || Worklist.count(I) ||
4565                  isVectorizedMemAccessUse(I, IndUpdate);
4566         });
4567     if (!UniformIndUpdate)
4568       continue;
4569
4570     // The induction variable and its update instruction will remain uniform.
4571     Worklist.insert(Ind);
4572     Worklist.insert(IndUpdate);
4573     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found uniform instruction: " << *Ind << "\n");
4574     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found uniform instruction: " << *IndUpdate
4575                       << "\n");
4576   }
4577
4578   Uniforms[VF].insert(Worklist.begin(), Worklist.end());
4579 }
4580
4581 void InterleavedAccessInfo::collectConstStrideAccesses(
4582     MapVector<Instruction *, StrideDescriptor> &AccessStrideInfo,
4583     const ValueToValueMap &Strides) {
4584   auto &DL = TheLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
4585
4586   // Since it's desired that the load/store instructions be maintained in
4587   // "program order" for the interleaved access analysis, we have to visit the
4588   // blocks in the loop in reverse postorder (i.e., in a topological order).
4589   // Such an ordering will ensure that any load/store that may be executed
4590   // before a second load/store will precede the second load/store in
4591   // AccessStrideInfo.
4592   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
4593   DFS.perform(LI);
4594   for (BasicBlock *BB : make_range(DFS.beginRPO(), DFS.endRPO()))
4595     for (auto &I : *BB) {
4596       auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I);
4597       auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(&I);
4598       if (!LI && !SI)
4599         continue;
4600
4601       Value *Ptr = getLoadStorePointerOperand(&I);
4602       // We don't check wrapping here because we don't know yet if Ptr will be
4603       // part of a full group or a group with gaps. Checking wrapping for all
4604       // pointers (even those that end up in groups with no gaps) will be overly
4605       // conservative. For full groups, wrapping should be ok since if we would
4606       // wrap around the address space we would do a memory access at nullptr
4607       // even without the transformation. The wrapping checks are therefore
4608       // deferred until after we've formed the interleaved groups.
4609       int64_t Stride = getPtrStride(PSE, Ptr, TheLoop, Strides,
4610                                     /*Assume=*/true, /*ShouldCheckWrap=*/false);
4611
4612       const SCEV *Scev = replaceSymbolicStrideSCEV(PSE, Strides, Ptr);
4613       PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(Ptr->getType());
4614       uint64_t Size = DL.getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
4615
4616       // An alignment of 0 means target ABI alignment.
4617       unsigned Align = getMemInstAlignment(&I);
4618       if (!Align)
4619         Align = DL.getABITypeAlignment(PtrTy->getElementType());
4620
4621       AccessStrideInfo[&I] = StrideDescriptor(Stride, Scev, Size, Align);
4622     }
4623 }
4624
4625 // Analyze interleaved accesses and collect them into interleaved load and
4626 // store groups.
4627 //
4628 // When generating code for an interleaved load group, we effectively hoist all
4629 // loads in the group to the location of the first load in program order. When
4630 // generating code for an interleaved store group, we sink all stores to the
4631 // location of the last store. This code motion can change the order of load
4632 // and store instructions and may break dependences.
4633 //
4634 // The code generation strategy mentioned above ensures that we won't violate
4635 // any write-after-read (WAR) dependences.
4636 //
4637 // E.g., for the WAR dependence:  a = A[i];      // (1)
4638 //                                A[i] = b;      // (2)
4639 //
4640 // The store group of (2) is always inserted at or below (2), and the load
4641 // group of (1) is always inserted at or above (1). Thus, the instructions will
4642 // never be reordered. All other dependences are checked to ensure the
4643 // correctness of the instruction reordering.
4644 //
4645 // The algorithm visits all memory accesses in the loop in bottom-up program
4646 // order. Program order is established by traversing the blocks in the loop in
4647 // reverse postorder when collecting the accesses.
4648 //
4649 // We visit the memory accesses in bottom-up order because it can simplify the
4650 // construction of store groups in the presence of write-after-write (WAW)
4651 // dependences.
4652 //
4653 // E.g., for the WAW dependence:  A[i] = a;      // (1)
4654 //                                A[i] = b;      // (2)
4655 //                                A[i + 1] = c;  // (3)
4656 //
4657 // We will first create a store group with (3) and (2). (1) can't be added to
4658 // this group because it and (2) are dependent. However, (1) can be grouped
4659 // with other accesses that may precede it in program order. Note that a
4660 // bottom-up order does not imply that WAW dependences should not be checked.
4661 void InterleavedAccessInfo::analyzeInterleaving() {
4662   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Analyzing interleaved accesses...\n");
4663   const ValueToValueMap &Strides = LAI->getSymbolicStrides();
4664
4665   // Holds all accesses with a constant stride.
4666   MapVector<Instruction *, StrideDescriptor> AccessStrideInfo;
4667   collectConstStrideAccesses(AccessStrideInfo, Strides);
4668
4669   if (AccessStrideInfo.empty())
4670     return;
4671
4672   // Collect the dependences in the loop.
4673   collectDependences();
4674
4675   // Holds all interleaved store groups temporarily.
4676   SmallSetVector<InterleaveGroup *, 4> StoreGroups;
4677   // Holds all interleaved load groups temporarily.
4678   SmallSetVector<InterleaveGroup *, 4> LoadGroups;
4679
4680   // Search in bottom-up program order for pairs of accesses (A and B) that can
4681   // form interleaved load or store groups. In the algorithm below, access A
4682   // precedes access B in program order. We initialize a group for B in the
4683   // outer loop of the algorithm, and then in the inner loop, we attempt to
4684   // insert each A into B's group if:
4685   //
4686   //  1. A and B have the same stride,
4687   //  2. A and B have the same memory object size, and
4688   //  3. A belongs in B's group according to its distance from B.
4689   //
4690   // Special care is taken to ensure group formation will not break any
4691   // dependences.
4692   for (auto BI = AccessStrideInfo.rbegin(), E = AccessStrideInfo.rend();
4693        BI != E; ++BI) {
4694     Instruction *B = BI->first;
4695     StrideDescriptor DesB = BI->second;
4696
4697     // Initialize a group for B if it has an allowable stride. Even if we don't
4698     // create a group for B, we continue with the bottom-up algorithm to ensure
4699     // we don't break any of B's dependences.
4700     InterleaveGroup *Group = nullptr;
4701     if (isStrided(DesB.Stride)) {
4702       Group = getInterleaveGroup(B);
4703       if (!Group) {
4704         LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Creating an interleave group with:" << *B
4705                           << '\n');
4706         Group = createInterleaveGroup(B, DesB.Stride, DesB.Align);
4707       }
4708       if (B->mayWriteToMemory())
4709         StoreGroups.insert(Group);
4710       else
4711         LoadGroups.insert(Group);
4712     }
4713
4714     for (auto AI = std::next(BI); AI != E; ++AI) {
4715       Instruction *A = AI->first;
4716       StrideDescriptor DesA = AI->second;
4717
4718       // Our code motion strategy implies that we can't have dependences
4719       // between accesses in an interleaved group and other accesses located
4720       // between the first and last member of the group. Note that this also
4721       // means that a group can't have more than one member at a given offset.
4722       // The accesses in a group can have dependences with other accesses, but
4723       // we must ensure we don't extend the boundaries of the group such that
4724       // we encompass those dependent accesses.
4725       //
4726       // For example, assume we have the sequence of accesses shown below in a
4727       // stride-2 loop:
4728       //
4729       //  (1, 2) is a group | A[i]   = a;  // (1)
4730       //                    | A[i-1] = b;  // (2) |
4731       //                      A[i-3] = c;  // (3)
4732       //                      A[i]   = d;  // (4) | (2, 4) is not a group
4733       //
4734       // Because accesses (2) and (3) are dependent, we can group (2) with (1)
4735       // but not with (4). If we did, the dependent access (3) would be within
4736       // the boundaries of the (2, 4) group.
4737       if (!canReorderMemAccessesForInterleavedGroups(&*AI, &*BI)) {
4738         // If a dependence exists and A is already in a group, we know that A
4739         // must be a store since A precedes B and WAR dependences are allowed.
4740         // Thus, A would be sunk below B. We release A's group to prevent this
4741         // illegal code motion. A will then be free to form another group with
4742         // instructions that precede it.
4743         if (isInterleaved(A)) {
4744           InterleaveGroup *StoreGroup = getInterleaveGroup(A);
4745           StoreGroups.remove(StoreGroup);
4746           releaseGroup(StoreGroup);
4747         }
4748
4749         // If a dependence exists and A is not already in a group (or it was
4750         // and we just released it), B might be hoisted above A (if B is a
4751         // load) or another store might be sunk below A (if B is a store). In
4752         // either case, we can't add additional instructions to B's group. B
4753         // will only form a group with instructions that it precedes.
4754         break;
4755       }
4756
4757       // At this point, we've checked for illegal code motion. If either A or B
4758       // isn't strided, there's nothing left to do.
4759       if (!isStrided(DesA.Stride) || !isStrided(DesB.Stride))
4760         continue;
4761
4762       // Ignore A if it's already in a group or isn't the same kind of memory
4763       // operation as B.
4764       // Note that mayReadFromMemory() isn't mutually exclusive to mayWriteToMemory
4765       // in the case of atomic loads. We shouldn't see those here, canVectorizeMemory()
4766       // should have returned false - except for the case we asked for optimization
4767       // remarks.
4768       if (isInterleaved(A) || (A->mayReadFromMemory() != B->mayReadFromMemory())
4769           || (A->mayWriteToMemory() != B->mayWriteToMemory()))
4770         continue;
4771
4772       // Check rules 1 and 2. Ignore A if its stride or size is different from
4773       // that of B.
4774       if (DesA.Stride != DesB.Stride || DesA.Size != DesB.Size)
4775         continue;
4776
4777       // Ignore A if the memory object of A and B don't belong to the same
4778       // address space
4779       if (getMemInstAddressSpace(A) != getMemInstAddressSpace(B))
4780         continue;
4781
4782       // Calculate the distance from A to B.
4783       const SCEVConstant *DistToB = dyn_cast<SCEVConstant>(
4784           PSE.getSE()->getMinusSCEV(DesA.Scev, DesB.Scev));
4785       if (!DistToB)
4786         continue;
4787       int64_t DistanceToB = DistToB->getAPInt().getSExtValue();
4788
4789       // Check rule 3. Ignore A if its distance to B is not a multiple of the
4790       // size.
4791       if (DistanceToB % static_cast<int64_t>(DesB.Size))
4792         continue;
4793
4794       // Ignore A if either A or B is in a predicated block. Although we
4795       // currently prevent group formation for predicated accesses, we may be
4796       // able to relax this limitation in the future once we handle more
4797       // complicated blocks.
4798       if (isPredicated(A->getParent()) || isPredicated(B->getParent()))
4799         continue;
4800
4801       // The index of A is the index of B plus A's distance to B in multiples
4802       // of the size.
4803       int IndexA =
4804           Group->getIndex(B) + DistanceToB / static_cast<int64_t>(DesB.Size);
4805
4806       // Try to insert A into B's group.
4807       if (Group->insertMember(A, IndexA, DesA.Align)) {
4808         LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Inserted:" << *A << '\n'
4809                           << "    into the interleave group with" << *B
4810                           << '\n');
4811         InterleaveGroupMap[A] = Group;
4812
4813         // Set the first load in program order as the insert position.
4814         if (A->mayReadFromMemory())
4815           Group->setInsertPos(A);
4816       }
4817     } // Iteration over A accesses.
4818   } // Iteration over B accesses.
4819
4820   // Remove interleaved store groups with gaps.
4821   for (InterleaveGroup *Group : StoreGroups)
4822     if (Group->getNumMembers() != Group->getFactor()) {
4823       LLVM_DEBUG(
4824           dbgs() << "LV: Invalidate candidate interleaved store group due "
4825                     "to gaps.\n");
4826       releaseGroup(Group);
4827     }
4828   // Remove interleaved groups with gaps (currently only loads) whose memory
4829   // accesses may wrap around. We have to revisit the getPtrStride analysis,
4830   // this time with ShouldCheckWrap=true, since collectConstStrideAccesses does
4831   // not check wrapping (see documentation there).
4832   // FORNOW we use Assume=false;
4833   // TODO: Change to Assume=true but making sure we don't exceed the threshold
4834   // of runtime SCEV assumptions checks (thereby potentially failing to
4835   // vectorize altogether).
4836   // Additional optional optimizations:
4837   // TODO: If we are peeling the loop and we know that the first pointer doesn't
4838   // wrap then we can deduce that all pointers in the group don't wrap.
4839   // This means that we can forcefully peel the loop in order to only have to
4840   // check the first pointer for no-wrap. When we'll change to use Assume=true
4841   // we'll only need at most one runtime check per interleaved group.
4842   for (InterleaveGroup *Group : LoadGroups) {
4843     // Case 1: A full group. Can Skip the checks; For full groups, if the wide
4844     // load would wrap around the address space we would do a memory access at
4845     // nullptr even without the transformation.
4846     if (Group->getNumMembers() == Group->getFactor())
4847       continue;
4848
4849     // Case 2: If first and last members of the group don't wrap this implies
4850     // that all the pointers in the group don't wrap.
4851     // So we check only group member 0 (which is always guaranteed to exist),
4852     // and group member Factor - 1; If the latter doesn't exist we rely on
4853     // peeling (if it is a non-reveresed accsess -- see Case 3).
4854     Value *FirstMemberPtr = getLoadStorePointerOperand(Group->getMember(0));
4855     if (!getPtrStride(PSE, FirstMemberPtr, TheLoop, Strides, /*Assume=*/false,
4856                       /*ShouldCheckWrap=*/true)) {
4857       LLVM_DEBUG(
4858           dbgs() << "LV: Invalidate candidate interleaved group due to "
4859                     "first group member potentially pointer-wrapping.\n");
4860       releaseGroup(Group);
4861       continue;
4862     }
4863     Instruction *LastMember = Group->getMember(Group->getFactor() - 1);
4864     if (LastMember) {
4865       Value *LastMemberPtr = getLoadStorePointerOperand(LastMember);
4866       if (!getPtrStride(PSE, LastMemberPtr, TheLoop, Strides, /*Assume=*/false,
4867                         /*ShouldCheckWrap=*/true)) {
4868         LLVM_DEBUG(
4869             dbgs() << "LV: Invalidate candidate interleaved group due to "
4870                       "last group member potentially pointer-wrapping.\n");
4871         releaseGroup(Group);
4872       }
4873     } else {
4874       // Case 3: A non-reversed interleaved load group with gaps: We need
4875       // to execute at least one scalar epilogue iteration. This will ensure
4876       // we don't speculatively access memory out-of-bounds. We only need
4877       // to look for a member at index factor - 1, since every group must have
4878       // a member at index zero.
4879       if (Group->isReverse()) {
4880         LLVM_DEBUG(
4881             dbgs() << "LV: Invalidate candidate interleaved group due to "
4882                       "a reverse access with gaps.\n");
4883         releaseGroup(Group);
4884         continue;
4885       }
4886       LLVM_DEBUG(
4887           dbgs() << "LV: Interleaved group requires epilogue iteration.\n");
4888       RequiresScalarEpilogue = true;
4889     }
4890   }
4891 }
4892
4893 Optional<unsigned> LoopVectorizationCostModel::computeMaxVF(bool OptForSize) {
4894   if (Legal->getRuntimePointerChecking()->Need && TTI.hasBranchDivergence()) {
4895     // TODO: It may by useful to do since it's still likely to be dynamically
4896     // uniform if the target can skip.
4897     LLVM_DEBUG(
4898         dbgs() << "LV: Not inserting runtime ptr check for divergent target");
4899
4900     ORE->emit(
4901       createMissedAnalysis("CantVersionLoopWithDivergentTarget")
4902       << "runtime pointer checks needed. Not enabled for divergent target");
4903
4904     return None;
4905   }
4906
4907   unsigned TC = PSE.getSE()->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
4908   if (!OptForSize) // Remaining checks deal with scalar loop when OptForSize.
4909     return computeFeasibleMaxVF(OptForSize, TC);
4910
4911   if (Legal->getRuntimePointerChecking()->Need) {
4912     ORE->emit(createMissedAnalysis("CantVersionLoopWithOptForSize")
4913               << "runtime pointer checks needed. Enable vectorization of this "
4914                  "loop with '#pragma clang loop vectorize(enable)' when "
4915                  "compiling with -Os/-Oz");
4916     LLVM_DEBUG(
4917         dbgs()
4918         << "LV: Aborting. Runtime ptr check is required with -Os/-Oz.\n");
4919     return None;
4920   }
4921
4922   // If we optimize the program for size, avoid creating the tail loop.
4923   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found trip count: " << TC << '\n');
4924
4925   // If we don't know the precise trip count, don't try to vectorize.
4926   if (TC < 2) {
4927     ORE->emit(
4928         createMissedAnalysis("UnknownLoopCountComplexCFG")
4929         << "unable to calculate the loop count due to complex control flow");
4930     LLVM_DEBUG(
4931         dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required with -Os/-Oz.\n");
4932     return None;
4933   }
4934
4935   unsigned MaxVF = computeFeasibleMaxVF(OptForSize, TC);
4936
4937   if (TC % MaxVF != 0) {
4938     // If the trip count that we found modulo the vectorization factor is not
4939     // zero then we require a tail.
4940     // FIXME: look for a smaller MaxVF that does divide TC rather than give up.
4941     // FIXME: return None if loop requiresScalarEpilog(<MaxVF>), or look for a
4942     //        smaller MaxVF that does not require a scalar epilog.
4943
4944     ORE->emit(createMissedAnalysis("NoTailLoopWithOptForSize")
4945               << "cannot optimize for size and vectorize at the "
4946                  "same time. Enable vectorization of this loop "
4947                  "with '#pragma clang loop vectorize(enable)' "
4948                  "when compiling with -Os/-Oz");
4949     LLVM_DEBUG(
4950         dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required with -Os/-Oz.\n");
4951     return None;
4952   }
4953
4954   return MaxVF;
4955 }
4956
4957 unsigned
4958 LoopVectorizationCostModel::computeFeasibleMaxVF(bool OptForSize,
4959                                                  unsigned ConstTripCount) {
4960   MinBWs = computeMinimumValueSizes(TheLoop->getBlocks(), *DB, &TTI);
4961   unsigned SmallestType, WidestType;
4962   std::tie(SmallestType, WidestType) = getSmallestAndWidestTypes();
4963   unsigned WidestRegister = TTI.getRegisterBitWidth(true);
4964
4965   // Get the maximum safe dependence distance in bits computed by LAA.
4966   // It is computed by MaxVF * sizeOf(type) * 8, where type is taken from
4967   // the memory accesses that is most restrictive (involved in the smallest
4968   // dependence distance).
4969   unsigned MaxSafeRegisterWidth = Legal->getMaxSafeRegisterWidth();
4970
4971   WidestRegister = std::min(WidestRegister, MaxSafeRegisterWidth);
4972
4973   unsigned MaxVectorSize = WidestRegister / WidestType;
4974
4975   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: The Smallest and Widest types: " << SmallestType
4976                     << " / " << WidestType << " bits.\n");
4977   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest register safe to use is: "
4978                     << WidestRegister << " bits.\n");
4979
4980   assert(MaxVectorSize <= 256 && "Did not expect to pack so many elements"
4981                                  " into one vector!");
4982   if (MaxVectorSize == 0) {
4983     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: The target has no vector registers.\n");
4984     MaxVectorSize = 1;
4985     return MaxVectorSize;
4986   } else if (ConstTripCount && ConstTripCount < MaxVectorSize &&
4987              isPowerOf2_32(ConstTripCount)) {
4988     // We need to clamp the VF to be the ConstTripCount. There is no point in
4989     // choosing a higher viable VF as done in the loop below.
4990     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Clamping the MaxVF to the constant trip count: "
4991                       << ConstTripCount << "\n");
4992     MaxVectorSize = ConstTripCount;
4993     return MaxVectorSize;
4994   }
4995
4996   unsigned MaxVF = MaxVectorSize;
4997   if (TTI.shouldMaximizeVectorBandwidth(OptForSize) ||
4998       (MaximizeBandwidth && !OptForSize)) {
4999     // Collect all viable vectorization factors larger than the default MaxVF
5000     // (i.e. MaxVectorSize).
5001     SmallVector<unsigned, 8> VFs;
5002     unsigned NewMaxVectorSize = WidestRegister / SmallestType;
5003     for (unsigned VS = MaxVectorSize * 2; VS <= NewMaxVectorSize; VS *= 2)
5004       VFs.push_back(VS);
5005
5006     // For each VF calculate its register usage.
5007     auto RUs = calculateRegisterUsage(VFs);
5008
5009     // Select the largest VF which doesn't require more registers than existing
5010     // ones.
5011     unsigned TargetNumRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(true);
5012     for (int i = RUs.size() - 1; i >= 0; --i) {
5013       if (RUs[i].MaxLocalUsers <= TargetNumRegisters) {
5014         MaxVF = VFs[i];
5015         break;
5016       }
5017     }
5018     if (unsigned MinVF = TTI.getMinimumVF(SmallestType)) {
5019       if (MaxVF < MinVF) {
5020         LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Overriding calculated MaxVF(" << MaxVF
5021                           << ") with target's minimum: " << MinVF << '\n');
5022         MaxVF = MinVF;
5023       }
5024     }
5025   }
5026   return MaxVF;
5027 }
5028
5029 VectorizationFactor
5030 LoopVectorizationCostModel::selectVectorizationFactor(unsigned MaxVF) {
5031   float Cost = expectedCost(1).first;
5032   const float ScalarCost = Cost;
5033   unsigned Width = 1;
5034   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: " << (int)ScalarCost << ".\n");
5035
5036   bool ForceVectorization = Hints->getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled;
5037   if (ForceVectorization && MaxVF > 1) {
5038     // Ignore scalar width, because the user explicitly wants vectorization.
5039     // Initialize cost to max so that VF = 2 is, at least, chosen during cost
5040     // evaluation.
5041     Cost = std::numeric_limits<float>::max();
5042   }
5043
5044   for (unsigned i = 2; i <= MaxVF; i *= 2) {
5045     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
5046     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
5047     // the vector elements.
5048     VectorizationCostTy C = expectedCost(i);
5049     float VectorCost = C.first / (float)i;
5050     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width " << i
5051                       << " costs: " << (int)VectorCost << ".\n");
5052     if (!C.second && !ForceVectorization) {
5053       LLVM_DEBUG(
5054           dbgs() << "LV: Not considering vector loop of width " << i
5055                  << " because it will not generate any vector instructions.\n");
5056       continue;
5057     }
5058     if (VectorCost < Cost) {
5059       Cost = VectorCost;
5060       Width = i;
5061     }
5062   }
5063
5064   if (!EnableCondStoresVectorization && NumPredStores) {
5065     ORE->emit(createMissedAnalysis("ConditionalStore")
5066               << "store that is conditionally executed prevents vectorization");
5067     LLVM_DEBUG(
5068         dbgs() << "LV: No vectorization. There are conditional stores.\n");
5069     Width = 1;
5070     Cost = ScalarCost;
5071   }
5072
5073   LLVM_DEBUG(if (ForceVectorization && Width > 1 && Cost >= ScalarCost) dbgs()
5074              << "LV: Vectorization seems to be not beneficial, "
5075              << "but was forced by a user.\n");
5076   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF: " << Width << ".\n");
5077   VectorizationFactor Factor = {Width, (unsigned)(Width * Cost)};
5078   return Factor;
5079 }
5080
5081 std::pair<unsigned, unsigned>
5082 LoopVectorizationCostModel::getSmallestAndWidestTypes() {
5083   unsigned MinWidth = -1U;
5084   unsigned MaxWidth = 8;
5085   const DataLayout &DL = TheFunction->getParent()->getDataLayout();
5086
5087   // For each block.
5088   for (BasicBlock *BB : TheLoop->blocks()) {
5089     // For each instruction in the loop.
5090     for (Instruction &I : *BB) {
5091       Type *T = I.getType();
5092
5093       // Skip ignored values.
5094       if (ValuesToIgnore.count(&I))
5095         continue;
5096
5097       // Only examine Loads, Stores and PHINodes.
5098       if (!isa<LoadInst>(I) && !isa<StoreInst>(I) && !isa<PHINode>(I))
5099         continue;
5100
5101       // Examine PHI nodes that are reduction variables. Update the type to
5102       // account for the recurrence type.
5103       if (auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I)) {
5104         if (!Legal->isReductionVariable(PN))
5105           continue;
5106         RecurrenceDescriptor RdxDesc = (*Legal->getReductionVars())[PN];
5107         T = RdxDesc.getRecurrenceType();
5108       }
5109
5110       // Examine the stored values.
5111       if (auto *ST = dyn_cast<StoreInst>(&I))
5112         T = ST->getValueOperand()->getType();
5113
5114       // Ignore loaded pointer types and stored pointer types that are not
5115       // vectorizable.
5116       //
5117       // FIXME: The check here attempts to predict whether a load or store will
5118       //        be vectorized. We only know this for certain after a VF has
5119       //        been selected. Here, we assume that if an access can be
5120       //        vectorized, it will be. We should also look at extending this
5121       //        optimization to non-pointer types.
5122       //
5123       if (T->isPointerTy() && !isConsecutiveLoadOrStore(&I) &&
5124           !isAccessInterleaved(&I) && !isLegalGatherOrScatter(&I))
5125         continue;
5126
5127       MinWidth = std::min(MinWidth,
5128                           (unsigned)DL.getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
5129       MaxWidth = std::max(MaxWidth,
5130                           (unsigned)DL.getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
5131     }
5132   }
5133
5134   return {MinWidth, MaxWidth};
5135 }
5136
5137 unsigned LoopVectorizationCostModel::selectInterleaveCount(bool OptForSize,
5138                                                            unsigned VF,
5139                                                            unsigned LoopCost) {
5140   // -- The interleave heuristics --
5141   // We interleave the loop in order to expose ILP and reduce the loop overhead.
5142   // There are many micro-architectural considerations that we can't predict
5143   // at this level. For example, frontend pressure (on decode or fetch) due to
5144   // code size, or the number and capabilities of the execution ports.
5145   //
5146   // We use the following heuristics to select the interleave count:
5147   // 1. If the code has reductions, then we interleave to break the cross
5148   // iteration dependency.
5149   // 2. If the loop is really small, then we interleave to reduce the loop
5150   // overhead.
5151   // 3. We don't interleave if we think that we will spill registers to memory
5152   // due to the increased register pressure.
5153
5154   // When we optimize for size, we don't interleave.
5155   if (OptForSize)
5156     return 1;
5157
5158   // We used the distance for the interleave count.
5159   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
5160     return 1;
5161
5162   // Do not interleave loops with a relatively small trip count.
5163   unsigned TC = PSE.getSE()->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
5164   if (TC > 1 && TC < TinyTripCountInterleaveThreshold)
5165     return 1;
5166
5167   unsigned TargetNumRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(VF > 1);
5168   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: The target has " << TargetNumRegisters
5169                     << " registers\n");
5170
5171   if (VF == 1) {
5172     if (ForceTargetNumScalarRegs.getNumOccurrences() > 0)
5173       TargetNumRegisters = ForceTargetNumScalarRegs;
5174   } else {
5175     if (ForceTargetNumVectorRegs.getNumOccurrences() > 0)
5176       TargetNumRegisters = ForceTargetNumVectorRegs;
5177   }
5178
5179   RegisterUsage R = calculateRegisterUsage({VF})[0];
5180   // We divide by these constants so assume that we have at least one
5181   // instruction that uses at least one register.
5182   R.MaxLocalUsers = std::max(R.MaxLocalUsers, 1U);
5183
5184   // We calculate the interleave count using the following formula.
5185   // Subtract the number of loop invariants from the number of available
5186   // registers. These registers are used by all of the interleaved instances.
5187   // Next, divide the remaining registers by the number of registers that is
5188   // required by the loop, in order to estimate how many parallel instances
5189   // fit without causing spills. All of this is rounded down if necessary to be
5190   // a power of two. We want power of two interleave count to simplify any
5191   // addressing operations or alignment considerations.
5192   unsigned IC = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs) /
5193                               R.MaxLocalUsers);
5194
5195   // Don't count the induction variable as interleaved.
5196   if (EnableIndVarRegisterHeur)
5197     IC = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs - 1) /
5198                        std::max(1U, (R.MaxLocalUsers - 1)));
5199
5200   // Clamp the interleave ranges to reasonable counts.
5201   unsigned MaxInterleaveCount = TTI.getMaxInterleaveFactor(VF);
5202
5203   // Check if the user has overridden the max.
5204   if (VF == 1) {
5205     if (ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
5206       MaxInterleaveCount = ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor;
5207   } else {
5208     if (ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
5209       MaxInterleaveCount = ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor;
5210   }
5211
5212   // If we did not calculate the cost for VF (because the user selected the VF)
5213   // then we calculate the cost of VF here.
5214   if (LoopCost == 0)
5215     LoopCost = expectedCost(VF).first;
5216
5217   // Clamp the calculated IC to be between the 1 and the max interleave count
5218   // that the target allows.
5219   if (IC > MaxInterleaveCount)
5220     IC = MaxInterleaveCount;
5221   else if (IC < 1)
5222     IC = 1;
5223
5224   // Interleave if we vectorized this loop and there is a reduction that could
5225   // benefit from interleaving.
5226   if (VF > 1 && !Legal->getReductionVars()->empty()) {
5227     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Interleaving because of reductions.\n");
5228     return IC;
5229   }
5230
5231   // Note that if we've already vectorized the loop we will have done the
5232   // runtime check and so interleaving won't require further checks.
5233   bool InterleavingRequiresRuntimePointerCheck =
5234       (VF == 1 && Legal->getRuntimePointerChecking()->Need);
5235
5236   // We want to interleave small loops in order to reduce the loop overhead and
5237   // potentially expose ILP opportunities.
5238   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Loop cost is " << LoopCost << '\n');
5239   if (!InterleavingRequiresRuntimePointerCheck && LoopCost < SmallLoopCost) {
5240     // We assume that the cost overhead is 1 and we use the cost model
5241     // to estimate the cost of the loop and interleave until the cost of the
5242     // loop overhead is about 5% of the cost of the loop.
5243     unsigned SmallIC =
5244         std::min(IC, (unsigned)PowerOf2Floor(SmallLoopCost / LoopCost));
5245
5246     // Interleave until store/load ports (estimated by max interleave count) are
5247     // saturated.
5248     unsigned NumStores = Legal->getNumStores();
5249     unsigned NumLoads = Legal->getNumLoads();
5250     unsigned StoresIC = IC / (NumStores ? NumStores : 1);
5251     unsigned LoadsIC = IC / (NumLoads ? NumLoads : 1);
5252
5253     // If we have a scalar reduction (vector reductions are already dealt with
5254     // by this point), we can increase the critical path length if the loop
5255     // we're interleaving is inside another loop. Limit, by default to 2, so the
5256     // critical path only gets increased by one reduction operation.
5257     if (!Legal->getReductionVars()->empty() && TheLoop->getLoopDepth() > 1) {
5258       unsigned F = static_cast<unsigned>(MaxNestedScalarReductionIC);
5259       SmallIC = std::min(SmallIC, F);
5260       StoresIC = std::min(StoresIC, F);
5261       LoadsIC = std::min(LoadsIC, F);
5262     }
5263
5264     if (EnableLoadStoreRuntimeInterleave &&
5265         std::max(StoresIC, LoadsIC) > SmallIC) {
5266       LLVM_DEBUG(
5267           dbgs() << "LV: Interleaving to saturate store or load ports.\n");
5268       return std::max(StoresIC, LoadsIC);
5269     }
5270
5271     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Interleaving to reduce branch cost.\n");
5272     return SmallIC;
5273   }
5274
5275   // Interleave if this is a large loop (small loops are already dealt with by
5276   // this point) that could benefit from interleaving.
5277   bool HasReductions = !Legal->getReductionVars()->empty();
5278   if (TTI.enableAggressiveInterleaving(HasReductions)) {
5279     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Interleaving to expose ILP.\n");
5280     return IC;
5281   }
5282
5283   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Not Interleaving.\n");
5284   return 1;
5285 }
5286
5287 SmallVector<LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage, 8>
5288 LoopVectorizationCostModel::calculateRegisterUsage(ArrayRef<unsigned> VFs) {
5289   // This function calculates the register usage by measuring the highest number
5290   // of values that are alive at a single location. Obviously, this is a very
5291   // rough estimation. We scan the loop in a topological order in order and
5292   // assign a number to each instruction. We use RPO to ensure that defs are
5293   // met before their users. We assume that each instruction that has in-loop
5294   // users starts an interval. We record every time that an in-loop value is
5295   // used, so we have a list of the first and last occurrences of each
5296   // instruction. Next, we transpose this data structure into a multi map that
5297   // holds the list of intervals that *end* at a specific location. This multi
5298   // map allows us to perform a linear search. We scan the instructions linearly
5299   // and record each time that a new interval starts, by placing it in a set.
5300   // If we find this value in the multi-map then we remove it from the set.
5301   // The max register usage is the maximum size of the set.
5302   // We also search for instructions that are defined outside the loop, but are
5303   // used inside the loop. We need this number separately from the max-interval
5304   // usage number because when we unroll, loop-invariant values do not take
5305   // more register.
5306   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
5307   DFS.perform(LI);
5308
5309   RegisterUsage RU;
5310
5311   // Each 'key' in the map opens a new interval. The values
5312   // of the map are the index of the 'last seen' usage of the
5313   // instruction that is the key.
5314   using IntervalMap = DenseMap<Instruction *, unsigned>;
5315
5316   // Maps instruction to its index.
5317   DenseMap<unsigned, Instruction *> IdxToInstr;
5318   // Marks the end of each interval.
5319   IntervalMap EndPoint;
5320   // Saves the list of instruction indices that are used in the loop.
5321   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Ends;
5322   // Saves the list of values that are used in the loop but are
5323   // defined outside the loop, such as arguments and constants.
5324   SmallPtrSet<Value *, 8> LoopInvariants;
5325
5326   unsigned Index = 0;
5327   for (BasicBlock *BB : make_range(DFS.beginRPO(), DFS.endRPO())) {
5328     for (Instruction &I : *BB) {
5329       IdxToInstr[Index++] = &I;
5330
5331       // Save the end location of each USE.
5332       for (Value *U : I.operands()) {
5333         auto *Instr = dyn_cast<Instruction>(U);
5334
5335         // Ignore non-instruction values such as arguments, constants, etc.
5336         if (!Instr)
5337           continue;
5338
5339         // If this instruction is outside the loop then record it and continue.
5340         if (!TheLoop->contains(Instr)) {
5341           LoopInvariants.insert(Instr);
5342           continue;
5343         }
5344
5345         // Overwrite previous end points.
5346         EndPoint[Instr] = Index;
5347         Ends.insert(Instr);
5348       }
5349     }
5350   }
5351
5352   // Saves the list of intervals that end with the index in 'key'.
5353   using InstrList = SmallVector<Instruction *, 2>;
5354   DenseMap<unsigned, InstrList> TransposeEnds;
5355
5356   // Transpose the EndPoints to a list of values that end at each index.
5357   for (auto &Interval : EndPoint)
5358     TransposeEnds[Interval.second].push_back(Interval.first);
5359
5360   SmallPtrSet<Instruction *, 8> OpenIntervals;
5361
5362   // Get the size of the widest register.
5363   unsigned MaxSafeDepDist = -1U;
5364   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
5365     MaxSafeDepDist = Legal->getMaxSafeDepDistBytes() * 8;
5366   unsigned WidestRegister =
5367       std::min(TTI.getRegisterBitWidth(true), MaxSafeDepDist);
5368   const DataLayout &DL = TheFunction->getParent()->getDataLayout();
5369
5370   SmallVector<RegisterUsage, 8> RUs(VFs.size());
5371   SmallVector<unsigned, 8> MaxUsages(VFs.size(), 0);
5372
5373   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Calculating max register usage:\n");
5374
5375   // A lambda that gets the register usage for the given type and VF.
5376   auto GetRegUsage = [&DL, WidestRegister](Type *Ty, unsigned VF) {
5377     if (Ty->isTokenTy())
5378       return 0U;
5379     unsigned TypeSize = DL.getTypeSizeInBits(Ty->getScalarType());
5380     return std::max<unsigned>(1, VF * TypeSize / WidestRegister);
5381   };
5382
5383   for (unsigned int i = 0; i < Index; ++i) {
5384     Instruction *I = IdxToInstr[i];
5385
5386     // Remove all of the instructions that end at this location.
5387     InstrList &List = TransposeEnds[i];
5388     for (Instruction *ToRemove : List)
5389       OpenIntervals.erase(ToRemove);
5390
5391     // Ignore instructions that are never used within the loop.
5392     if (!Ends.count(I))
5393       continue;
5394
5395     // Skip ignored values.
5396     if (ValuesToIgnore.count(I))
5397       continue;
5398
5399     // For each VF find the maximum usage of registers.
5400     for (unsigned j = 0, e = VFs.size(); j < e; ++j) {
5401       if (VFs[j] == 1) {
5402         MaxUsages[j] = std::max(MaxUsages[j], OpenIntervals.size());
5403         continue;
5404       }
5405       collectUniformsAndScalars(VFs[j]);
5406       // Count the number of live intervals.
5407       unsigned RegUsage = 0;
5408       for (auto Inst : OpenIntervals) {
5409         // Skip ignored values for VF > 1.
5410         if (VecValuesToIgnore.count(Inst) ||
5411             isScalarAfterVectorization(Inst, VFs[j]))
5412           continue;
5413         RegUsage += GetRegUsage(Inst->getType(), VFs[j]);
5414       }
5415       MaxUsages[j] = std::max(MaxUsages[j], RegUsage);
5416     }
5417
5418     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV(REG): At #" << i << " Interval # "
5419                       << OpenIntervals.size() << '\n');
5420
5421     // Add the current instruction to the list of open intervals.
5422     OpenIntervals.insert(I);
5423   }
5424
5425   for (unsigned i = 0, e = VFs.size(); i < e; ++i) {
5426     unsigned Invariant = 0;
5427     if (VFs[i] == 1)
5428       Invariant = LoopInvariants.size();
5429     else {
5430       for (auto Inst : LoopInvariants)
5431         Invariant += GetRegUsage(Inst->getType(), VFs[i]);
5432     }
5433
5434     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV(REG): VF = " << VFs[i] << '\n');
5435     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found max usage: " << MaxUsages[i] << '\n');
5436     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found invariant usage: " << Invariant
5437                       << '\n');
5438
5439     RU.LoopInvariantRegs = Invariant;
5440     RU.MaxLocalUsers = MaxUsages[i];
5441     RUs[i] = RU;
5442   }
5443
5444   return RUs;
5445 }
5446
5447 bool LoopVectorizationCostModel::useEmulatedMaskMemRefHack(Instruction *I){
5448   // TODO: Cost model for emulated masked load/store is completely
5449   // broken. This hack guides the cost model to use an artificially
5450   // high enough value to practically disable vectorization with such
5451   // operations, except where previously deployed legality hack allowed
5452   // using very low cost values. This is to avoid regressions coming simply
5453   // from moving "masked load/store" check from legality to cost model.
5454   // Masked Load/Gather emulation was previously never allowed.
5455   // Limited number of Masked Store/Scatter emulation was allowed.
5456   assert(isScalarWithPredication(I) &&
5457          "Expecting a scalar emulated instruction");
5458   return isa<LoadInst>(I) ||
5459          (isa<StoreInst>(I) &&
5460           NumPredStores > NumberOfStoresToPredicate);
5461 }
5462
5463 void LoopVectorizationCostModel::collectInstsToScalarize(unsigned VF) {
5464   // If we aren't vectorizing the loop, or if we've already collected the
5465   // instructions to scalarize, there's nothing to do. Collection may already
5466   // have occurred if we have a user-selected VF and are now computing the
5467   // expected cost for interleaving.
5468   if (VF < 2 || InstsToScalarize.count(VF))
5469     return;
5470
5471   // Initialize a mapping for VF in InstsToScalalarize. If we find that it's
5472   // not profitable to scalarize any instructions, the presence of VF in the
5473   // map will indicate that we've analyzed it already.
5474   ScalarCostsTy &ScalarCostsVF = InstsToScalarize[VF];
5475
5476   // Find all the instructions that are scalar with predication in the loop and
5477   // determine if it would be better to not if-convert the blocks they are in.
5478   // If so, we also record the instructions to scalarize.
5479   for (BasicBlock *BB : TheLoop->blocks()) {
5480     if (!Legal->blockNeedsPredication(BB))
5481       continue;
5482     for (Instruction &I : *BB)
5483       if (isScalarWithPredication(&I)) {
5484         ScalarCostsTy ScalarCosts;
5485         // Do not apply discount logic if hacked cost is needed
5486         // for emulated masked memrefs.
5487         if (!useEmulatedMaskMemRefHack(&I) &&
5488             computePredInstDiscount(&I, ScalarCosts, VF) >= 0)
5489           ScalarCostsVF.insert(ScalarCosts.begin(), ScalarCosts.end());
5490         // Remember that BB will remain after vectorization.
5491         PredicatedBBsAfterVectorization.insert(BB);
5492       }
5493   }
5494 }
5495
5496 int LoopVectorizationCostModel::computePredInstDiscount(
5497     Instruction *PredInst, DenseMap<Instruction *, unsigned> &ScalarCosts,
5498     unsigned VF) {
5499   assert(!isUniformAfterVectorization(PredInst, VF) &&
5500          "Instruction marked uniform-after-vectorization will be predicated");
5501
5502   // Initialize the discount to zero, meaning that the scalar version and the
5503   // vector version cost the same.
5504   int Discount = 0;
5505
5506   // Holds instructions to analyze. The instructions we visit are mapped in
5507   // ScalarCosts. Those instructions are the ones that would be scalarized if
5508   // we find that the scalar version costs less.
5509   SmallVector<Instruction *, 8> Worklist;
5510
5511   // Returns true if the given instruction can be scalarized.
5512   auto canBeScalarized = [&](Instruction *I) -> bool {
5513     // We only attempt to scalarize instructions forming a single-use chain
5514     // from the original predicated block that would otherwise be vectorized.
5515     // Although not strictly necessary, we give up on instructions we know will
5516     // already be scalar to avoid traversing chains that are unlikely to be
5517     // beneficial.
5518     if (!I->hasOneUse() || PredInst->getParent() != I->getParent() ||
5519         isScalarAfterVectorization(I, VF))
5520       return false;
5521
5522     // If the instruction is scalar with predication, it will be analyzed
5523     // separately. We ignore it within the context of PredInst.
5524     if (isScalarWithPredication(I))
5525       return false;
5526
5527     // If any of the instruction's operands are uniform after vectorization,
5528     // the instruction cannot be scalarized. This prevents, for example, a
5529     // masked load from being scalarized.
5530     //
5531     // We assume we will only emit a value for lane zero of an instruction
5532     // marked uniform after vectorization, rather than VF identical values.
5533     // Thus, if we scalarize an instruction that uses a uniform, we would
5534     // create uses of values corresponding to the lanes we aren't emitting code
5535     // for. This behavior can be changed by allowing getScalarValue to clone
5536     // the lane zero values for uniforms rather than asserting.
5537     for (Use &U : I->operands())
5538       if (auto *J = dyn_cast<Instruction>(U.get()))
5539         if (isUniformAfterVectorization(J, VF))
5540           return false;
5541
5542     // Otherwise, we can scalarize the instruction.
5543     return true;
5544   };
5545
5546   // Returns true if an operand that cannot be scalarized must be extracted
5547   // from a vector. We will account for this scalarization overhead below. Note
5548   // that the non-void predicated instructions are placed in their own blocks,
5549   // and their return values are inserted into vectors. Thus, an extract would
5550   // still be required.
5551   auto needsExtract = [&](Instruction *I) -> bool {
5552     return TheLoop->contains(I) && !isScalarAfterVectorization(I, VF);
5553   };
5554
5555   // Compute the expected cost discount from scalarizing the entire expression
5556   // feeding the predicated instruction. We currently only consider expressions
5557   // that are single-use instruction chains.
5558   Worklist.push_back(PredInst);
5559   while (!Worklist.empty()) {
5560     Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
5561
5562     // If we've already analyzed the instruction, there's nothing to do.
5563     if (ScalarCosts.count(I))
5564       continue;
5565
5566     // Compute the cost of the vector instruction. Note that this cost already
5567     // includes the scalarization overhead of the predicated instruction.
5568     unsigned VectorCost = getInstructionCost(I, VF).first;
5569
5570     // Compute the cost of the scalarized instruction. This cost is the cost of
5571     // the instruction as if it wasn't if-converted and instead remained in the
5572     // predicated block. We will scale this cost by block probability after
5573     // computing the scalarization overhead.
5574     unsigned ScalarCost = VF * getInstructionCost(I, 1).first;
5575
5576     // Compute the scalarization overhead of needed insertelement instructions
5577     // and phi nodes.
5578     if (isScalarWithPredication(I) && !I->getType()->isVoidTy()) {
5579       ScalarCost += TTI.getScalarizationOverhead(ToVectorTy(I->getType(), VF),
5580                                                  true, false);
5581       ScalarCost += VF * TTI.getCFInstrCost(Instruction::PHI);
5582     }
5583
5584     // Compute the scalarization overhead of needed extractelement
5585     // instructions. For each of the instruction's operands, if the operand can
5586     // be scalarized, add it to the worklist; otherwise, account for the
5587     // overhead.
5588     for (Use &U : I->operands())
5589       if (auto *J = dyn_cast<Instruction>(U.get())) {
5590         assert(VectorType::isValidElementType(J->getType()) &&
5591                "Instruction has non-scalar type");
5592         if (canBeScalarized(J))
5593           Worklist.push_back(J);
5594         else if (needsExtract(J))
5595           ScalarCost += TTI.getScalarizationOverhead(
5596                               ToVectorTy(J->getType(),VF), false, true);
5597       }
5598
5599     // Scale the total scalar cost by block probability.
5600     ScalarCost /= getReciprocalPredBlockProb();
5601
5602     // Compute the discount. A non-negative discount means the vector version
5603     // of the instruction costs more, and scalarizing would be beneficial.
5604     Discount += VectorCost - ScalarCost;
5605     ScalarCosts[I] = ScalarCost;
5606   }
5607
5608   return Discount;
5609 }
5610
5611 LoopVectorizationCostModel::VectorizationCostTy
5612 LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
5613   VectorizationCostTy Cost;
5614
5615   // For each block.
5616   for (BasicBlock *BB : TheLoop->blocks()) {
5617     VectorizationCostTy BlockCost;
5618
5619     // For each instruction in the old loop.
5620     for (Instruction &I : BB->instructionsWithoutDebug()) {
5621       // Skip ignored values.
5622       if (ValuesToIgnore.count(&I) ||
5623           (VF > 1 && VecValuesToIgnore.count(&I)))
5624         continue;
5625
5626       VectorizationCostTy C = getInstructionCost(&I, VF);
5627
5628       // Check if we should override the cost.
5629       if (ForceTargetInstructionCost.getNumOccurrences() > 0)
5630         C.first = ForceTargetInstructionCost;
5631
5632       BlockCost.first += C.first;
5633       BlockCost.second |= C.second;
5634       LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of " << C.first
5635                         << " for VF " << VF << " For instruction: " << I
5636                         << '\n');
5637     }
5638
5639     // If we are vectorizing a predicated block, it will have been
5640     // if-converted. This means that the block's instructions (aside from
5641     // stores and instructions that may divide by zero) will now be
5642     // unconditionally executed. For the scalar case, we may not always execute
5643     // the predicated block. Thus, scale the block's cost by the probability of
5644     // executing it.
5645     if (VF == 1 && Legal->blockNeedsPredication(BB))
5646       BlockCost.first /= getReciprocalPredBlockProb();
5647
5648     Cost.first += BlockCost.first;
5649     Cost.second |= BlockCost.second;
5650   }
5651
5652   return Cost;
5653 }
5654
5655 /// Gets Address Access SCEV after verifying that the access pattern
5656 /// is loop invariant except the induction variable dependence.
5657 ///
5658 /// This SCEV can be sent to the Target in order to estimate the address
5659 /// calculation cost.
5660 static const SCEV *getAddressAccessSCEV(
5661               Value *Ptr,
5662               LoopVectorizationLegality *Legal,
5663               PredicatedScalarEvolution &PSE,
5664               const Loop *TheLoop) {
5665
5666   auto *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
5667   if (!Gep)
5668     return nullptr;
5669
5670   // We are looking for a gep with all loop invariant indices except for one
5671   // which should be an induction variable.
5672   auto SE = PSE.getSE();
5673   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
5674   for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i) {
5675     Value *Opd = Gep->getOperand(i);
5676     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Opd), TheLoop) &&
5677         !Legal->isInductionVariable(Opd))
5678       return nullptr;
5679   }
5680
5681   // Now we know we have a GEP ptr, %inv, %ind, %inv. return the Ptr SCEV.
5682   return PSE.getSCEV(Ptr);
5683 }
5684
5685 static bool isStrideMul(Instruction *I, LoopVectorizationLegality *Legal) {
5686   return Legal->hasStride(I->getOperand(0)) ||
5687          Legal->hasStride(I->getOperand(1));
5688 }
5689
5690 unsigned LoopVectorizationCostModel::getMemInstScalarizationCost(Instruction *I,
5691                                                                  unsigned VF) {
5692   Type *ValTy = getMemInstValueType(I);
5693   auto SE = PSE.getSE();
5694
5695   unsigned Alignment = getMemInstAlignment(I);
5696   unsigned AS = getMemInstAddressSpace(I);
5697   Value *Ptr = getLoadStorePointerOperand(I);
5698   Type *PtrTy = ToVectorTy(Ptr->getType(), VF);
5699
5700   // Figure out whether the access is strided and get the stride value
5701   // if it's known in compile time
5702   const SCEV *PtrSCEV = getAddressAccessSCEV(Ptr, Legal, PSE, TheLoop);
5703
5704   // Get the cost of the scalar memory instruction and address computation.
5705   unsigned Cost = VF * TTI.getAddressComputationCost(PtrTy, SE, PtrSCEV);
5706
5707   Cost += VF *
5708           TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy->getScalarType(), Alignment,
5709                               AS, I);
5710
5711   // Get the overhead of the extractelement and insertelement instructions
5712   // we might create due to scalarization.
5713   Cost += getScalarizationOverhead(I, VF, TTI);
5714
5715   // If we have a predicated store, it may not be executed for each vector
5716   // lane. Scale the cost by the probability of executing the predicated
5717   // block.
5718   if (isScalarWithPredication(I)) {
5719     Cost /= getReciprocalPredBlockProb();
5720
5721     if (useEmulatedMaskMemRefHack(I))
5722       // Artificially setting to a high enough value to practically disable
5723       // vectorization with such operations.
5724       Cost = 3000000;
5725   }
5726
5727   return Cost;
5728 }
5729
5730 unsigned LoopVectorizationCostModel::getConsecutiveMemOpCost(Instruction *I,
5731                                                              unsigned VF) {
5732   Type *ValTy = getMemInstValueType(I);
5733   Type *VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
5734   unsigned Alignment = getMemInstAlignment(I);
5735   Value *Ptr = getLoadStorePointerOperand(I);
5736   unsigned AS = getMemInstAddressSpace(I);
5737   int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
5738
5739   assert((ConsecutiveStride == 1 || ConsecutiveStride == -1) &&
5740          "Stride should be 1 or -1 for consecutive memory access");
5741   unsigned Cost = 0;
5742   if (Legal->isMaskRequired(I))
5743     Cost += TTI.getMaskedMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
5744   else
5745     Cost += TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS, I);
5746
5747   bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
5748   if (Reverse)
5749     Cost += TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse, VectorTy, 0);
5750   return Cost;
5751 }
5752
5753 unsigned LoopVectorizationCostModel::getUniformMemOpCost(Instruction *I,
5754                                                          unsigned VF) {
5755   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(I);
5756   Type *ValTy = LI->getType();
5757   Type *VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
5758   unsigned Alignment = LI->getAlignment();
5759   unsigned AS = LI->getPointerAddressSpace();
5760
5761   return TTI.getAddressComputationCost(ValTy) +
5762          TTI.getMemoryOpCost(Instruction::Load, ValTy, Alignment, AS) +
5763          TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Broadcast, VectorTy);
5764 }
5765
5766 unsigned LoopVectorizationCostModel::getGatherScatterCost(Instruction *I,
5767                                                           unsigned VF) {
5768   Type *ValTy = getMemInstValueType(I);
5769   Type *VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
5770   unsigned Alignment = getMemInstAlignment(I);
5771   Value *Ptr = getLoadStorePointerOperand(I);
5772
5773   return TTI.getAddressComputationCost(VectorTy) +
5774          TTI.getGatherScatterOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Ptr,
5775                                     Legal->isMaskRequired(I), Alignment);
5776 }
5777
5778 unsigned LoopVectorizationCostModel::getInterleaveGroupCost(Instruction *I,
5779                                                             unsigned VF) {
5780   Type *ValTy = getMemInstValueType(I);
5781   Type *VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
5782   unsigned AS = getMemInstAddressSpace(I);
5783
5784   auto Group = getInterleavedAccessGroup(I);
5785   assert(Group && "Fail to get an interleaved access group.");
5786
5787   unsigned InterleaveFactor = Group->getFactor();
5788   Type *WideVecTy = VectorType::get(ValTy, VF * InterleaveFactor);
5789
5790   // Holds the indices of existing members in an interleaved load group.
5791   // An interleaved store group doesn't need this as it doesn't allow gaps.
5792   SmallVector<unsigned, 4> Indices;
5793   if (isa<LoadInst>(I)) {
5794     for (unsigned i = 0; i < InterleaveFactor; i++)
5795       if (Group->getMember(i))
5796         Indices.push_back(i);
5797   }
5798
5799   // Calculate the cost of the whole interleaved group.
5800   unsigned Cost = TTI.getInterleavedMemoryOpCost(I->getOpcode(), WideVecTy,
5801                                                  Group->getFactor(), Indices,
5802                                                  Group->getAlignment(), AS);
5803
5804   if (Group->isReverse())
5805     Cost += Group->getNumMembers() *
5806             TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse, VectorTy, 0);
5807   return Cost;
5808 }
5809
5810 unsigned LoopVectorizationCostModel::getMemoryInstructionCost(Instruction *I,
5811                                                               unsigned VF) {
5812   // Calculate scalar cost only. Vectorization cost should be ready at this
5813   // moment.
5814   if (VF == 1) {
5815     Type *ValTy = getMemInstValueType(I);
5816     unsigned Alignment = getMemInstAlignment(I);
5817     unsigned AS = getMemInstAddressSpace(I);
5818
5819     return TTI.getAddressComputationCost(ValTy) +
5820            TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy, Alignment, AS, I);
5821   }
5822   return getWideningCost(I, VF);
5823 }
5824
5825 LoopVectorizationCostModel::VectorizationCostTy
5826 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
5827   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
5828   // the scalar version.
5829   if (isUniformAfterVectorization(I, VF))
5830     VF = 1;
5831
5832   if (VF > 1 && isProfitableToScalarize(I, VF))
5833     return VectorizationCostTy(InstsToScalarize[VF][I], false);
5834
5835   // Forced scalars do not have any scalarization overhead.
5836   if (VF > 1 && ForcedScalars.count(VF) &&
5837       ForcedScalars.find(VF)->second.count(I))
5838     return VectorizationCostTy((getInstructionCost(I, 1).first * VF), false);
5839
5840   Type *VectorTy;
5841   unsigned C = getInstructionCost(I, VF, VectorTy);
5842
5843   bool TypeNotScalarized =
5844       VF > 1 && VectorTy->isVectorTy() && TTI.getNumberOfParts(VectorTy) < VF;
5845   return VectorizationCostTy(C, TypeNotScalarized);
5846 }
5847
5848 void LoopVectorizationCostModel::setCostBasedWideningDecision(unsigned VF) {
5849   if (VF == 1)
5850     return;
5851   NumPredStores = 0;
5852   for (BasicBlock *BB : TheLoop->blocks()) {
5853     // For each instruction in the old loop.
5854     for (Instruction &I : *BB) {
5855       Value *Ptr =  getLoadStorePointerOperand(&I);
5856       if (!Ptr)
5857         continue;
5858
5859       if (isa<StoreInst>(&I) && isScalarWithPredication(&I))
5860         NumPredStores++;
5861       if (isa<LoadInst>(&I) && Legal->isUniform(Ptr)) {
5862         // Scalar load + broadcast
5863         unsigned Cost = getUniformMemOpCost(&I, VF);
5864         setWideningDecision(&I, VF, CM_Scalarize, Cost);
5865         continue;
5866       }
5867
5868       // We assume that widening is the best solution when possible.
5869       if (memoryInstructionCanBeWidened(&I, VF)) {
5870         unsigned Cost = getConsecutiveMemOpCost(&I, VF);
5871         int ConsecutiveStride =
5872                Legal->isConsecutivePtr(getLoadStorePointerOperand(&I));
5873         assert((ConsecutiveStride == 1 || ConsecutiveStride == -1) &&
5874                "Expected consecutive stride.");
5875         InstWidening Decision =
5876             ConsecutiveStride == 1 ? CM_Widen : CM_Widen_Reverse;
5877         setWideningDecision(&I, VF, Decision, Cost);
5878         continue;
5879       }
5880
5881       // Choose between Interleaving, Gather/Scatter or Scalarization.
5882       unsigned InterleaveCost = std::numeric_limits<unsigned>::max();
5883       unsigned NumAccesses = 1;
5884       if (isAccessInterleaved(&I)) {
5885         auto Group = getInterleavedAccessGroup(&I);
5886         assert(Group && "Fail to get an interleaved access group.");
5887
5888         // Make one decision for the whole group.
5889         if (getWideningDecision(&I, VF) != CM_Unknown)
5890           continue;
5891
5892         NumAccesses = Group->getNumMembers();
5893         InterleaveCost = getInterleaveGroupCost(&I, VF);
5894       }
5895
5896       unsigned GatherScatterCost =
5897           isLegalGatherOrScatter(&I)
5898               ? getGatherScatterCost(&I, VF) * NumAccesses
5899               : std::numeric_limits<unsigned>::max();
5900
5901       unsigned ScalarizationCost =
5902           getMemInstScalarizationCost(&I, VF) * NumAccesses;
5903
5904       // Choose better solution for the current VF,
5905       // write down this decision and use it during vectorization.
5906       unsigned Cost;
5907       InstWidening Decision;
5908       if (InterleaveCost <= GatherScatterCost &&
5909           InterleaveCost < ScalarizationCost) {
5910         Decision = CM_Interleave;
5911         Cost = InterleaveCost;
5912       } else if (GatherScatterCost < ScalarizationCost) {
5913         Decision = CM_GatherScatter;
5914         Cost = GatherScatterCost;
5915       } else {
5916         Decision = CM_Scalarize;
5917         Cost = ScalarizationCost;
5918       }
5919       // If the instructions belongs to an interleave group, the whole group
5920       // receives the same decision. The whole group receives the cost, but
5921       // the cost will actually be assigned to one instruction.
5922       if (auto Group = getInterleavedAccessGroup(&I))
5923         setWideningDecision(Group, VF, Decision, Cost);
5924       else
5925         setWideningDecision(&I, VF, Decision, Cost);
5926     }
5927   }
5928
5929   // Make sure that any load of address and any other address computation
5930   // remains scalar unless there is gather/scatter support. This avoids
5931   // inevitable extracts into address registers, and also has the benefit of
5932   // activating LSR more, since that pass can't optimize vectorized
5933   // addresses.
5934   if (TTI.prefersVectorizedAddressing())
5935     return;
5936
5937   // Start with all scalar pointer uses.
5938   SmallPtrSet<Instruction *, 8> AddrDefs;
5939   for (BasicBlock *BB : TheLoop->blocks())
5940     for (Instruction &I : *BB) {
5941       Instruction *PtrDef =
5942         dyn_cast_or_null<Instruction>(getLoadStorePointerOperand(&I));
5943       if (PtrDef && TheLoop->contains(PtrDef) &&
5944           getWideningDecision(&I, VF) != CM_GatherScatter)
5945         AddrDefs.insert(PtrDef);
5946     }
5947
5948   // Add all instructions used to generate the addresses.
5949   SmallVector<Instruction *, 4> Worklist;
5950   for (auto *I : AddrDefs)
5951     Worklist.push_back(I);
5952   while (!Worklist.empty()) {
5953     Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
5954     for (auto &Op : I->operands())
5955       if (auto *InstOp = dyn_cast<Instruction>(Op))
5956         if ((InstOp->getParent() == I->getParent()) && !isa<PHINode>(InstOp) &&
5957             AddrDefs.insert(InstOp).second)
5958           Worklist.push_back(InstOp);
5959   }
5960
5961   for (auto *I : AddrDefs) {
5962     if (isa<LoadInst>(I)) {
5963       // Setting the desired widening decision should ideally be handled in
5964       // by cost functions, but since this involves the task of finding out
5965       // if the loaded register is involved in an address computation, it is
5966       // instead changed here when we know this is the case.
5967       InstWidening Decision = getWideningDecision(I, VF);
5968       if (Decision == CM_Widen || Decision == CM_Widen_Reverse)
5969         // Scalarize a widened load of address.
5970         setWideningDecision(I, VF, CM_Scalarize,
5971                             (VF * getMemoryInstructionCost(I, 1)));
5972       else if (auto Group = getInterleavedAccessGroup(I)) {
5973         // Scalarize an interleave group of address loads.
5974         for (unsigned I = 0; I < Group->getFactor(); ++I) {
5975           if (Instruction *Member = Group->getMember(I))
5976             setWideningDecision(Member, VF, CM_Scalarize,
5977                                 (VF * getMemoryInstructionCost(Member, 1)));
5978         }
5979       }
5980     } else
5981       // Make sure I gets scalarized and a cost estimate without
5982       // scalarization overhead.
5983       ForcedScalars[VF].insert(I);
5984   }
5985 }
5986
5987 unsigned LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I,
5988                                                         unsigned VF,
5989                                                         Type *&VectorTy) {
5990   Type *RetTy = I->getType();
5991   if (canTruncateToMinimalBitwidth(I, VF))
5992     RetTy = IntegerType::get(RetTy->getContext(), MinBWs[I]);
5993   VectorTy = isScalarAfterVectorization(I, VF) ? RetTy : ToVectorTy(RetTy, VF);
5994   auto SE = PSE.getSE();
5995
5996   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
5997   switch (I->getOpcode()) {
5998   case Instruction::GetElementPtr:
5999     // We mark this instruction as zero-cost because the cost of GEPs in
6000     // vectorized code depends on whether the corresponding memory instruction
6001     // is scalarized or not. Therefore, we handle GEPs with the memory
6002     // instruction cost.
6003     return 0;
6004   case Instruction::Br: {
6005     // In cases of scalarized and predicated instructions, there will be VF
6006     // predicated blocks in the vectorized loop. Each branch around these
6007     // blocks requires also an extract of its vector compare i1 element.
6008     bool ScalarPredicatedBB = false;
6009     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
6010     if (VF > 1 && BI->isConditional() &&
6011         (PredicatedBBsAfterVectorization.count(BI->getSuccessor(0)) ||
6012          PredicatedBBsAfterVectorization.count(BI->getSuccessor(1))))
6013       ScalarPredicatedBB = true;
6014
6015     if (ScalarPredicatedBB) {
6016       // Return cost for branches around scalarized and predicated blocks.
6017       Type *Vec_i1Ty =
6018           VectorType::get(IntegerType::getInt1Ty(RetTy->getContext()), VF);
6019       return (TTI.getScalarizationOverhead(Vec_i1Ty, false, true) +
6020               (TTI.getCFInstrCost(Instruction::Br) * VF));
6021     } else if (I->getParent() == TheLoop->getLoopLatch() || VF == 1)
6022       // The back-edge branch will remain, as will all scalar branches.
6023       return TTI.getCFInstrCost(Instruction::Br);
6024     else
6025       // This branch will be eliminated by if-conversion.
6026       return 0;
6027     // Note: We currently assume zero cost for an unconditional branch inside
6028     // a predicated block since it will become a fall-through, although we
6029     // may decide in the future to call TTI for all branches.
6030   }
6031   case Instruction::PHI: {
6032     auto *Phi = cast<PHINode>(I);
6033
6034     // First-order recurrences are replaced by vector shuffles inside the loop.
6035     if (VF > 1 && Legal->isFirstOrderRecurrence(Phi))
6036       return TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_ExtractSubvector,
6037                                 VectorTy, VF - 1, VectorTy);
6038
6039     // Phi nodes in non-header blocks (not inductions, reductions, etc.) are
6040     // converted into select instructions. We require N - 1 selects per phi
6041     // node, where N is the number of incoming values.
6042     if (VF > 1 && Phi->getParent() != TheLoop->getHeader())
6043       return (Phi->getNumIncomingValues() - 1) *
6044              TTI.getCmpSelInstrCost(
6045                  Instruction::Select, ToVectorTy(Phi->getType(), VF),
6046                  ToVectorTy(Type::getInt1Ty(Phi->getContext()), VF));
6047
6048     return TTI.getCFInstrCost(Instruction::PHI);
6049   }
6050   case Instruction::UDiv:
6051   case Instruction::SDiv:
6052   case Instruction::URem:
6053   case Instruction::SRem:
6054     // If we have a predicated instruction, it may not be executed for each
6055     // vector lane. Get the scalarization cost and scale this amount by the
6056     // probability of executing the predicated block. If the instruction is not
6057     // predicated, we fall through to the next case.
6058     if (VF > 1 && isScalarWithPredication(I)) {
6059       unsigned Cost = 0;
6060
6061       // These instructions have a non-void type, so account for the phi nodes
6062       // that we will create. This cost is likely to be zero. The phi node
6063       // cost, if any, should be scaled by the block probability because it
6064       // models a copy at the end of each predicated block.
6065       Cost += VF * TTI.getCFInstrCost(Instruction::PHI);
6066
6067       // The cost of the non-predicated instruction.
6068       Cost += VF * TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), RetTy);
6069
6070       // The cost of insertelement and extractelement instructions needed for
6071       // scalarization.
6072       Cost += getScalarizationOverhead(I, VF, TTI);
6073
6074       // Scale the cost by the probability of executing the predicated blocks.
6075       // This assumes the predicated block for each vector lane is equally
6076       // likely.
6077       return Cost / getReciprocalPredBlockProb();
6078     }
6079     LLVM_FALLTHROUGH;
6080   case Instruction::Add:
6081   case Instruction::FAdd:
6082   case Instruction::Sub:
6083   case Instruction::FSub:
6084   case Instruction::Mul:
6085   case Instruction::FMul:
6086   case Instruction::FDiv:
6087   case Instruction::FRem:
6088   case Instruction::Shl:
6089   case Instruction::LShr:
6090   case Instruction::AShr:
6091   case Instruction::And:
6092   case Instruction::Or:
6093   case Instruction::Xor: {
6094     // Since we will replace the stride by 1 the multiplication should go away.
6095     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && isStrideMul(I, Legal))
6096       return 0;
6097     // Certain instructions can be cheaper to vectorize if they have a constant
6098     // second vector operand. One example of this are shifts on x86.
6099     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op1VK =
6100         TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
6101     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op2VK =
6102         TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
6103     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op1VP =
6104         TargetTransformInfo::OP_None;
6105     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op2VP =
6106         TargetTransformInfo::OP_None;
6107     Value *Op2 = I->getOperand(1);
6108
6109     // Check for a splat or for a non uniform vector of constants.
6110     if (isa<ConstantInt>(Op2)) {
6111       ConstantInt *CInt = cast<ConstantInt>(Op2);
6112       if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
6113         Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
6114       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
6115     } else if (isa<ConstantVector>(Op2) || isa<ConstantDataVector>(Op2)) {
6116       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_NonUniformConstantValue;
6117       Constant *SplatValue = cast<Constant>(Op2)->getSplatValue();
6118       if (SplatValue) {
6119         ConstantInt *CInt = dyn_cast<ConstantInt>(SplatValue);
6120         if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
6121           Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
6122         Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
6123       }
6124     } else if (Legal->isUniform(Op2)) {
6125       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformValue;
6126     }
6127     SmallVector<const Value *, 4> Operands(I->operand_values());
6128     unsigned N = isScalarAfterVectorization(I, VF) ? VF : 1;
6129     return N * TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, Op1VK,
6130                                           Op2VK, Op1VP, Op2VP, Operands);
6131   }
6132   case Instruction::Select: {
6133     SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
6134     const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
6135     bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
6136     Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
6137     if (!ScalarCond)
6138       CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
6139
6140     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy, I);
6141   }
6142   case Instruction::ICmp:
6143   case Instruction::FCmp: {
6144     Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
6145     Instruction *Op0AsInstruction = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(0));
6146     if (canTruncateToMinimalBitwidth(Op0AsInstruction, VF))
6147       ValTy = IntegerType::get(ValTy->getContext(), MinBWs[Op0AsInstruction]);
6148     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
6149     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, nullptr, I);
6150   }
6151   case Instruction::Store:
6152   case Instruction::Load: {
6153     unsigned Width = VF;
6154     if (Width > 1) {
6155       InstWidening Decision = getWideningDecision(I, Width);
6156       assert(Decision != CM_Unknown &&
6157              "CM decision should be taken at this point");
6158       if (Decision == CM_Scalarize)
6159         Width = 1;
6160     }
6161     VectorTy = ToVectorTy(getMemInstValueType(I), Width);
6162     return getMemoryInstructionCost(I, VF);
6163   }
6164   case Instruction::ZExt:
6165   case Instruction::SExt:
6166   case Instruction::FPToUI:
6167   case Instruction::FPToSI:
6168   case Instruction::FPExt:
6169   case Instruction::PtrToInt:
6170   case Instruction::IntToPtr:
6171   case Instruction::SIToFP:
6172   case Instruction::UIToFP:
6173   case Instruction::Trunc:
6174   case Instruction::FPTrunc:
6175   case Instruction::BitCast: {
6176     // We optimize the truncation of induction variables having constant
6177     // integer steps. The cost of these truncations is the same as the scalar
6178     // operation.
6179     if (isOptimizableIVTruncate(I, VF)) {
6180       auto *Trunc = cast<TruncInst>(I);
6181       return TTI.getCastInstrCost(Instruction::Trunc, Trunc->getDestTy(),
6182                                   Trunc->getSrcTy(), Trunc);
6183     }
6184
6185     Type *SrcScalarTy = I->getOperand(0)->getType();
6186     Type *SrcVecTy =
6187         VectorTy->isVectorTy() ? ToVectorTy(SrcScalarTy, VF) : SrcScalarTy;
6188     if (canTruncateToMinimalBitwidth(I, VF)) {
6189       // This cast is going to be shrunk. This may remove the cast or it might
6190       // turn it into slightly different cast. For example, if MinBW == 16,
6191       // "zext i8 %1 to i32" becomes "zext i8 %1 to i16".
6192       //
6193       // Calculate the modified src and dest types.
6194       Type *MinVecTy = VectorTy;
6195       if (I->getOpcode() == Instruction::Trunc) {
6196         SrcVecTy = smallestIntegerVectorType(SrcVecTy, MinVecTy);
6197         VectorTy =
6198             largestIntegerVectorType(ToVectorTy(I->getType(), VF), MinVecTy);
6199       } else if (I->getOpcode() == Instruction::ZExt ||
6200                  I->getOpcode() == Instruction::SExt) {
6201         SrcVecTy = largestIntegerVectorType(SrcVecTy, MinVecTy);
6202         VectorTy =
6203             smallestIntegerVectorType(ToVectorTy(I->getType(), VF), MinVecTy);
6204       }
6205     }
6206
6207     unsigned N = isScalarAfterVectorization(I, VF) ? VF : 1;
6208     return N * TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy, I);
6209   }
6210   case Instruction::Call: {
6211     bool NeedToScalarize;
6212     CallInst *CI = cast<CallInst>(I);
6213     unsigned CallCost = getVectorCallCost(CI, VF, TTI, TLI, NeedToScalarize);
6214     if (getVectorIntrinsicIDForCall(CI, TLI))
6215       return std::min(CallCost, getVectorIntrinsicCost(CI, VF, TTI, TLI));
6216     return CallCost;
6217   }
6218   default:
6219     // The cost of executing VF copies of the scalar instruction. This opcode
6220     // is unknown. Assume that it is the same as 'mul'.
6221     return VF * TTI.getArithmeticInstrCost(Instruction::Mul, VectorTy) +
6222            getScalarizationOverhead(I, VF, TTI);
6223   } // end of switch.
6224 }
6225
6226 char LoopVectorize::ID = 0;
6227
6228 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
6229
6230 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
6231 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
6232 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BasicAAWrapperPass)
6233 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AAResultsWrapperPass)
6234 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(GlobalsAAWrapperPass)
6235 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
6236 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BlockFrequencyInfoWrapperPass)
6237 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
6238 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
6239 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
6240 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopAccessLegacyAnalysis)
6241 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DemandedBitsWrapperPass)
6242 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(OptimizationRemarkEmitterWrapperPass)
6243 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
6244
6245 namespace llvm {
6246
6247 Pass *createLoopVectorizePass(bool NoUnrolling, bool AlwaysVectorize) {
6248   return new LoopVectorize(NoUnrolling, AlwaysVectorize);
6249 }
6250
6251 } // end namespace llvm
6252
6253 bool LoopVectorizationCostModel::isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *Inst) {
6254   // Check if the pointer operand of a load or store instruction is
6255   // consecutive.
6256   if (auto *Ptr = getLoadStorePointerOperand(Inst))
6257     return Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
6258   return false;
6259 }
6260
6261 void LoopVectorizationCostModel::collectValuesToIgnore() {
6262   // Ignore ephemeral values.
6263   CodeMetrics::collectEphemeralValues(TheLoop, AC, ValuesToIgnore);
6264
6265   // Ignore type-promoting instructions we identified during reduction
6266   // detection.
6267   for (auto &Reduction : *Legal->getReductionVars()) {
6268     RecurrenceDescriptor &RedDes = Reduction.second;
6269     SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Casts = RedDes.getCastInsts();
6270     VecValuesToIgnore.insert(Casts.begin(), Casts.end());
6271   }
6272   // Ignore type-casting instructions we identified during induction
6273   // detection.
6274   for (auto &Induction : *Legal->getInductionVars()) {
6275     InductionDescriptor &IndDes = Induction.second;
6276     const SmallVectorImpl<Instruction *> &Casts = IndDes.getCastInsts();
6277     VecValuesToIgnore.insert(Casts.begin(), Casts.end());
6278   }
6279 }
6280
6281 VectorizationFactor
6282 LoopVectorizationPlanner::planInVPlanNativePath(bool OptForSize,
6283                                                 unsigned UserVF) {
6284   // Width 1 means no vectorization, cost 0 means uncomputed cost.
6285   const VectorizationFactor NoVectorization = {1U, 0U};
6286
6287   // Outer loop handling: They may require CFG and instruction level
6288   // transformations before even evaluating whether vectorization is profitable.
6289   // Since we cannot modify the incoming IR, we need to build VPlan upfront in
6290   // the vectorization pipeline.
6291   if (!OrigLoop->empty()) {
6292     // TODO: If UserVF is not provided, we set UserVF to 4 for stress testing.
6293     // This won't be necessary when UserVF is not required in the VPlan-native
6294     // path.
6295     if (VPlanBuildStressTest && !UserVF)
6296       UserVF = 4;
6297
6298     assert(EnableVPlanNativePath && "VPlan-native path is not enabled.");
6299     assert(UserVF && "Expected UserVF for outer loop vectorization.");
6300     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
6301     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF " << UserVF << ".\n");
6302     buildVPlans(UserVF, UserVF);
6303
6304     // For VPlan build stress testing, we bail out after VPlan construction.
6305     if (VPlanBuildStressTest)
6306       return NoVectorization;
6307
6308     return {UserVF, 0};
6309   }
6310
6311   LLVM_DEBUG(
6312       dbgs() << "LV: Not vectorizing. Inner loops aren't supported in the "
6313                 "VPlan-native path.\n");
6314   return NoVectorization;
6315 }
6316
6317 VectorizationFactor
6318 LoopVectorizationPlanner::plan(bool OptForSize, unsigned UserVF) {
6319   assert(OrigLoop->empty() && "Inner loop expected.");
6320   // Width 1 means no vectorization, cost 0 means uncomputed cost.
6321   const VectorizationFactor NoVectorization = {1U, 0U};
6322   Optional<unsigned> MaybeMaxVF = CM.computeMaxVF(OptForSize);
6323   if (!MaybeMaxVF.hasValue()) // Cases considered too costly to vectorize.
6324     return NoVectorization;
6325
6326   if (UserVF) {
6327     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF " << UserVF << ".\n");
6328     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
6329     // Collect the instructions (and their associated costs) that will be more
6330     // profitable to scalarize.
6331     CM.selectUserVectorizationFactor(UserVF);
6332     buildVPlansWithVPRecipes(UserVF, UserVF);
6333     LLVM_DEBUG(printPlans(dbgs()));
6334     return {UserVF, 0};
6335   }
6336
6337   unsigned MaxVF = MaybeMaxVF.getValue();
6338   assert(MaxVF != 0 && "MaxVF is zero.");
6339
6340   for (unsigned VF = 1; VF <= MaxVF; VF *= 2) {
6341     // Collect Uniform and Scalar instructions after vectorization with VF.
6342     CM.collectUniformsAndScalars(VF);
6343
6344     // Collect the instructions (and their associated costs) that will be more
6345     // profitable to scalarize.
6346     if (VF > 1)
6347       CM.collectInstsToScalarize(VF);
6348   }
6349
6350   buildVPlansWithVPRecipes(1, MaxVF);
6351   LLVM_DEBUG(printPlans(dbgs()));
6352   if (MaxVF == 1)
6353     return NoVectorization;
6354
6355   // Select the optimal vectorization factor.
6356   return CM.selectVectorizationFactor(MaxVF);
6357 }
6358
6359 void LoopVectorizationPlanner::setBestPlan(unsigned VF, unsigned UF) {
6360   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Setting best plan to VF=" << VF << ", UF=" << UF
6361                     << '\n');
6362   BestVF = VF;
6363   BestUF = UF;
6364
6365   erase_if(VPlans, [VF](const VPlanPtr &Plan) {
6366     return !Plan->hasVF(VF);
6367   });
6368   assert(VPlans.size() == 1 && "Best VF has not a single VPlan.");
6369 }
6370
6371 void LoopVectorizationPlanner::executePlan(InnerLoopVectorizer &ILV,
6372                                            DominatorTree *DT) {
6373   // Perform the actual loop transformation.
6374
6375   // 1. Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
6376   VPCallbackILV CallbackILV(ILV);
6377
6378   VPTransformState State{BestVF, BestUF,      LI,
6379                          DT,     ILV.Builder, ILV.VectorLoopValueMap,
6380                          &ILV,   CallbackILV};
6381   State.CFG.PrevBB = ILV.createVectorizedLoopSkeleton();
6382
6383   //===------------------------------------------------===//
6384   //
6385   // Notice: any optimization or new instruction that go
6386   // into the code below should also be implemented in
6387   // the cost-model.
6388   //
6389   //===------------------------------------------------===//
6390
6391   // 2. Copy and widen instructions from the old loop into the new loop.
6392   assert(VPlans.size() == 1 && "Not a single VPlan to execute.");
6393   VPlans.front()->execute(&State);
6394
6395   // 3. Fix the vectorized code: take care of header phi's, live-outs,
6396   //    predication, updating analyses.
6397   ILV.fixVectorizedLoop();
6398 }
6399
6400 void LoopVectorizationPlanner::collectTriviallyDeadInstructions(
6401     SmallPtrSetImpl<Instruction *> &DeadInstructions) {
6402   BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
6403
6404   // We create new control-flow for the vectorized loop, so the original
6405   // condition will be dead after vectorization if it's only used by the
6406   // branch.
6407   auto *Cmp = dyn_cast<Instruction>(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
6408   if (Cmp && Cmp->hasOneUse())
6409     DeadInstructions.insert(Cmp);
6410
6411   // We create new "steps" for induction variable updates to which the original
6412   // induction variables map. An original update instruction will be dead if
6413   // all its users except the induction variable are dead.
6414   for (auto &Induction : *Legal->getInductionVars()) {
6415     PHINode *Ind = Induction.first;
6416     auto *IndUpdate = cast<Instruction>(Ind->getIncomingValueForBlock(Latch));
6417     if (llvm::all_of(IndUpdate->users(), [&](User *U) -> bool {
6418           return U == Ind || DeadInstructions.count(cast<Instruction>(U));
6419         }))
6420       DeadInstructions.insert(IndUpdate);
6421
6422     // We record as "Dead" also the type-casting instructions we had identified
6423     // during induction analysis. We don't need any handling for them in the
6424     // vectorized loop because we have proven that, under a proper runtime
6425     // test guarding the vectorized loop, the value of the phi, and the casted
6426     // value of the phi, are the same. The last instruction in this casting chain
6427     // will get its scalar/vector/widened def from the scalar/vector/widened def
6428     // of the respective phi node. Any other casts in the induction def-use chain
6429     // have no other uses outside the phi update chain, and will be ignored.
6430     InductionDescriptor &IndDes = Induction.second;
6431     const SmallVectorImpl<Instruction *> &Casts = IndDes.getCastInsts();
6432     DeadInstructions.insert(Casts.begin(), Casts.end());
6433   }
6434 }
6435
6436 Value *InnerLoopUnroller::reverseVector(Value *Vec) { return Vec; }
6437
6438 Value *InnerLoopUnroller::getBroadcastInstrs(Value *V) { return V; }
6439
6440 Value *InnerLoopUnroller::getStepVector(Value *Val, int StartIdx, Value *Step,
6441                                         Instruction::BinaryOps BinOp) {
6442   // When unrolling and the VF is 1, we only need to add a simple scalar.
6443   Type *Ty = Val->getType();
6444   assert(!Ty->isVectorTy() && "Val must be a scalar");
6445
6446   if (Ty->isFloatingPointTy()) {
6447     Constant *C = ConstantFP::get(Ty, (double)StartIdx);
6448
6449     // Floating point operations had to be 'fast' to enable the unrolling.
6450     Value *MulOp = addFastMathFlag(Builder.CreateFMul(C, Step));
6451     return addFastMathFlag(Builder.CreateBinOp(BinOp, Val, MulOp));
6452   }
6453   Constant *C = ConstantInt::get(Ty, StartIdx);
6454   return Builder.CreateAdd(Val, Builder.CreateMul(C, Step), "induction");
6455 }
6456
6457 static void AddRuntimeUnrollDisableMetaData(Loop *L) {
6458   SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
6459   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
6460   MDs.push_back(nullptr);
6461   bool IsUnrollMetadata = false;
6462   MDNode *LoopID = L->getLoopID();
6463   if (LoopID) {
6464     // First find existing loop unrolling disable metadata.
6465     for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
6466       auto *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
6467       if (MD) {
6468         const auto *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
6469         IsUnrollMetadata =
6470             S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.disable");
6471       }
6472       MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
6473     }
6474   }
6475
6476   if (!IsUnrollMetadata) {
6477     // Add runtime unroll disable metadata.
6478     LLVMContext &Context = L->getHeader()->getContext();
6479     SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
6480     DisableOperands.push_back(
6481         MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.runtime.disable"));
6482     MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
6483     MDs.push_back(DisableNode);
6484     MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
6485     // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
6486     NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
6487     L->setLoopID(NewLoopID);
6488   }
6489 }
6490
6491 bool LoopVectorizationPlanner::getDecisionAndClampRange(
6492     const std::function<bool(unsigned)> &Predicate, VFRange &Range) {
6493   assert(Range.End > Range.Start && "Trying to test an empty VF range.");
6494   bool PredicateAtRangeStart = Predicate(Range.Start);
6495
6496   for (unsigned TmpVF = Range.Start * 2; TmpVF < Range.End; TmpVF *= 2)
6497     if (Predicate(TmpVF) != PredicateAtRangeStart) {
6498       Range.End = TmpVF;
6499       break;
6500     }
6501
6502   return PredicateAtRangeStart;
6503 }
6504
6505 /// Build VPlans for the full range of feasible VF's = {\p MinVF, 2 * \p MinVF,
6506 /// 4 * \p MinVF, ..., \p MaxVF} by repeatedly building a VPlan for a sub-range
6507 /// of VF's starting at a given VF and extending it as much as possible. Each
6508 /// vectorization decision can potentially shorten this sub-range during
6509 /// buildVPlan().
6510 void LoopVectorizationPlanner::buildVPlans(unsigned MinVF, unsigned MaxVF) {
6511   for (unsigned VF = MinVF; VF < MaxVF + 1;) {
6512     VFRange SubRange = {VF, MaxVF + 1};
6513     VPlans.push_back(buildVPlan(SubRange));
6514     VF = SubRange.End;
6515   }
6516 }
6517
6518 VPValue *VPRecipeBuilder::createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst,
6519                                          VPlanPtr &Plan) {
6520   assert(is_contained(predecessors(Dst), Src) && "Invalid edge");
6521
6522   // Look for cached value.
6523   std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge(Src, Dst);
6524   EdgeMaskCacheTy::iterator ECEntryIt = EdgeMaskCache.find(Edge);
6525   if (ECEntryIt != EdgeMaskCache.end())
6526     return ECEntryIt->second;
6527
6528   VPValue *SrcMask = createBlockInMask(Src, Plan);
6529
6530   // The terminator has to be a branch inst!
6531   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Src->getTerminator());
6532   assert(BI && "Unexpected terminator found");
6533
6534   if (!BI->isConditional())
6535     return EdgeMaskCache[Edge] = SrcMask;
6536
6537   VPValue *EdgeMask = Plan->getVPValue(BI->getCondition());
6538   assert(EdgeMask && "No Edge Mask found for condition");
6539
6540   if (BI->getSuccessor(0) != Dst)
6541     EdgeMask = Builder.createNot(EdgeMask);
6542
6543   if (SrcMask) // Otherwise block in-mask is all-one, no need to AND.
6544     EdgeMask = Builder.createAnd(EdgeMask, SrcMask);
6545
6546   return EdgeMaskCache[Edge] = EdgeMask;
6547 }
6548
6549 VPValue *VPRecipeBuilder::createBlockInMask(BasicBlock *BB, VPlanPtr &Plan) {
6550   assert(OrigLoop->contains(BB) && "Block is not a part of a loop");
6551
6552   // Look for cached value.
6553   BlockMaskCacheTy::iterator BCEntryIt = BlockMaskCache.find(BB);
6554   if (BCEntryIt != BlockMaskCache.end())
6555     return BCEntryIt->second;
6556
6557   // All-one mask is modelled as no-mask following the convention for masked
6558   // load/store/gather/scatter. Initialize BlockMask to no-mask.
6559   VPValue *BlockMask = nullptr;
6560
6561   // Loop incoming mask is all-one.
6562   if (OrigLoop->getHeader() == BB)
6563     return BlockMaskCache[BB] = BlockMask;
6564
6565   // This is the block mask. We OR all incoming edges.
6566   for (auto *Predecessor : predecessors(BB)) {
6567     VPValue *EdgeMask = createEdgeMask(Predecessor, BB, Plan);
6568     if (!EdgeMask) // Mask of predecessor is all-one so mask of block is too.
6569       return BlockMaskCache[BB] = EdgeMask;
6570
6571     if (!BlockMask) { // BlockMask has its initialized nullptr value.
6572       BlockMask = EdgeMask;
6573       continue;
6574     }
6575
6576     BlockMask = Builder.createOr(BlockMask, EdgeMask);
6577   }
6578
6579   return BlockMaskCache[BB] = BlockMask;
6580 }
6581
6582 VPInterleaveRecipe *VPRecipeBuilder::tryToInterleaveMemory(Instruction *I,
6583                                                            VFRange &Range) {
6584   const InterleaveGroup *IG = CM.getInterleavedAccessGroup(I);
6585   if (!IG)
6586     return nullptr;
6587
6588   // Now check if IG is relevant for VF's in the given range.
6589   auto isIGMember = [&](Instruction *I) -> std::function<bool(unsigned)> {
6590     return [=](unsigned VF) -> bool {
6591       return (VF >= 2 && // Query is illegal for VF == 1
6592               CM.getWideningDecision(I, VF) ==
6593                   LoopVectorizationCostModel::CM_Interleave);
6594     };
6595   };
6596   if (!LoopVectorizationPlanner::getDecisionAndClampRange(isIGMember(I), Range))
6597     return nullptr;
6598
6599   // I is a member of an InterleaveGroup for VF's in the (possibly trimmed)
6600   // range. If it's the primary member of the IG construct a VPInterleaveRecipe.
6601   // Otherwise, it's an adjunct member of the IG, do not construct any Recipe.
6602   assert(I == IG->getInsertPos() &&
6603          "Generating a recipe for an adjunct member of an interleave group");
6604
6605   return new VPInterleaveRecipe(IG);
6606 }
6607
6608 VPWidenMemoryInstructionRecipe *
6609 VPRecipeBuilder::tryToWidenMemory(Instruction *I, VFRange &Range,
6610                                   VPlanPtr &Plan) {
6611   if (!isa<LoadInst>(I) && !isa<StoreInst>(I))
6612     return nullptr;
6613
6614   auto willWiden = [&](unsigned VF) -> bool {
6615     if (VF == 1)
6616       return false;
6617     if (CM.isScalarAfterVectorization(I, VF) ||
6618         CM.isProfitableToScalarize(I, VF))
6619       return false;
6620     LoopVectorizationCostModel::InstWidening Decision =
6621         CM.getWideningDecision(I, VF);
6622     assert(Decision != LoopVectorizationCostModel::CM_Unknown &&
6623            "CM decision should be taken at this point.");
6624     assert(Decision != LoopVectorizationCostModel::CM_Interleave &&
6625            "Interleave memory opportunity should be caught earlier.");
6626     return Decision != LoopVectorizationCostModel::CM_Scalarize;
6627   };
6628
6629   if (!LoopVectorizationPlanner::getDecisionAndClampRange(willWiden, Range))
6630     return nullptr;
6631
6632   VPValue *Mask = nullptr;
6633   if (Legal->isMaskRequired(I))
6634     Mask = createBlockInMask(I->getParent(), Plan);
6635
6636   return new VPWidenMemoryInstructionRecipe(*I, Mask);
6637 }
6638
6639 VPWidenIntOrFpInductionRecipe *
6640 VPRecipeBuilder::tryToOptimizeInduction(Instruction *I, VFRange &Range) {
6641   if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I)) {
6642     // Check if this is an integer or fp induction. If so, build the recipe that
6643     // produces its scalar and vector values.
6644     InductionDescriptor II = Legal->getInductionVars()->lookup(Phi);
6645     if (II.getKind() == InductionDescriptor::IK_IntInduction ||
6646         II.getKind() == InductionDescriptor::IK_FpInduction)
6647       return new VPWidenIntOrFpInductionRecipe(Phi);
6648
6649     return nullptr;
6650   }
6651
6652   // Optimize the special case where the source is a constant integer
6653   // induction variable. Notice that we can only optimize the 'trunc' case
6654   // because (a) FP conversions lose precision, (b) sext/zext may wrap, and
6655   // (c) other casts depend on pointer size.
6656
6657   // Determine whether \p K is a truncation based on an induction variable that
6658   // can be optimized.
6659   auto isOptimizableIVTruncate =
6660       [&](Instruction *K) -> std::function<bool(unsigned)> {
6661     return
6662         [=](unsigned VF) -> bool { return CM.isOptimizableIVTruncate(K, VF); };
6663   };
6664
6665   if (isa<TruncInst>(I) && LoopVectorizationPlanner::getDecisionAndClampRange(
6666                                isOptimizableIVTruncate(I), Range))
6667     return new VPWidenIntOrFpInductionRecipe(cast<PHINode>(I->getOperand(0)),
6668                                              cast<TruncInst>(I));
6669   return nullptr;
6670 }
6671
6672 VPBlendRecipe *VPRecipeBuilder::tryToBlend(Instruction *I, VPlanPtr &Plan) {
6673   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I);
6674   if (!Phi || Phi->getParent() == OrigLoop->getHeader())
6675     return nullptr;
6676
6677   // We know that all PHIs in non-header blocks are converted into selects, so
6678   // we don't have to worry about the insertion order and we can just use the
6679   // builder. At this point we generate the predication tree. There may be
6680   // duplications since this is a simple recursive scan, but future
6681   // optimizations will clean it up.
6682
6683   SmallVector<VPValue *, 2> Masks;
6684   unsigned NumIncoming = Phi->getNumIncomingValues();
6685   for (unsigned In = 0; In < NumIncoming; In++) {
6686     VPValue *EdgeMask =
6687       createEdgeMask(Phi->getIncomingBlock(In), Phi->getParent(), Plan);
6688     assert((EdgeMask || NumIncoming == 1) &&
6689            "Multiple predecessors with one having a full mask");
6690     if (EdgeMask)
6691       Masks.push_back(EdgeMask);
6692   }
6693   return new VPBlendRecipe(Phi, Masks);
6694 }
6695
6696 bool VPRecipeBuilder::tryToWiden(Instruction *I, VPBasicBlock *VPBB,
6697                                  VFRange &Range) {
6698   if (CM.isScalarWithPredication(I))
6699     return false;
6700
6701   auto IsVectorizableOpcode = [](unsigned Opcode) {
6702     switch (Opcode) {
6703     case Instruction::Add:
6704     case Instruction::And:
6705     case Instruction::AShr:
6706     case Instruction::BitCast:
6707     case Instruction::Br:
6708     case Instruction::Call:
6709     case Instruction::FAdd:
6710     case Instruction::FCmp:
6711     case Instruction::FDiv:
6712     case Instruction::FMul:
6713     case Instruction::FPExt:
6714     case Instruction::FPToSI:
6715     case Instruction::FPToUI:
6716     case Instruction::FPTrunc:
6717     case Instruction::FRem:
6718     case Instruction::FSub:
6719     case Instruction::GetElementPtr:
6720     case Instruction::ICmp:
6721     case Instruction::IntToPtr:
6722     case Instruction::Load:
6723     case Instruction::LShr:
6724     case Instruction::Mul:
6725     case Instruction::Or:
6726     case Instruction::PHI:
6727     case Instruction::PtrToInt:
6728     case Instruction::SDiv:
6729     case Instruction::Select:
6730     case Instruction::SExt:
6731     case Instruction::Shl:
6732     case Instruction::SIToFP:
6733     case Instruction::SRem:
6734     case Instruction::Store:
6735     case Instruction::Sub:
6736     case Instruction::Trunc:
6737     case Instruction::UDiv:
6738     case Instruction::UIToFP:
6739     case Instruction::URem:
6740     case Instruction::Xor:
6741     case Instruction::ZExt:
6742       return true;
6743     }
6744     return false;
6745   };
6746
6747   if (!IsVectorizableOpcode(I->getOpcode()))
6748     return false;
6749
6750   if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
6751     Intrinsic::ID ID = getVectorIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
6752     if (ID && (ID == Intrinsic::assume || ID == Intrinsic::lifetime_end ||
6753                ID == Intrinsic::lifetime_start || ID == Intrinsic::sideeffect))
6754       return false;
6755   }
6756
6757   auto willWiden = [&](unsigned VF) -> bool {
6758     if (!isa<PHINode>(I) && (CM.isScalarAfterVectorization(I, VF) ||
6759                              CM.isProfitableToScalarize(I, VF)))
6760       return false;
6761     if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
6762       Intrinsic::ID ID = getVectorIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
6763       // The following case may be scalarized depending on the VF.
6764       // The flag shows whether we use Intrinsic or a usual Call for vectorized
6765       // version of the instruction.
6766       // Is it beneficial to perform intrinsic call compared to lib call?
6767       bool NeedToScalarize;
6768       unsigned CallCost = getVectorCallCost(CI, VF, *TTI, TLI, NeedToScalarize);
6769       bool UseVectorIntrinsic =
6770           ID && getVectorIntrinsicCost(CI, VF, *TTI, TLI) <= CallCost;
6771       return UseVectorIntrinsic || !NeedToScalarize;
6772     }
6773     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I)) {
6774       assert(CM.getWideningDecision(I, VF) ==
6775                  LoopVectorizationCostModel::CM_Scalarize &&
6776              "Memory widening decisions should have been taken care by now");
6777       return false;
6778     }
6779     return true;
6780   };
6781
6782   if (!LoopVectorizationPlanner::getDecisionAndClampRange(willWiden, Range))
6783     return false;
6784
6785   // Success: widen this instruction. We optimize the common case where
6786   // consecutive instructions can be represented by a single recipe.
6787   if (!VPBB->empty()) {
6788     VPWidenRecipe *LastWidenRecipe = dyn_cast<VPWidenRecipe>(&VPBB->back());
6789     if (LastWidenRecipe && LastWidenRecipe->appendInstruction(I))
6790       return true;
6791   }
6792
6793   VPBB->appendRecipe(new VPWidenRecipe(I));
6794   return true;
6795 }
6796
6797 VPBasicBlock *VPRecipeBuilder::handleReplication(
6798     Instruction *I, VFRange &Range, VPBasicBlock *VPBB,
6799     DenseMap<Instruction *, VPReplicateRecipe *> &PredInst2Recipe,
6800     VPlanPtr &Plan) {
6801   bool IsUniform = LoopVectorizationPlanner::getDecisionAndClampRange(
6802       [&](unsigned VF) { return CM.isUniformAfterVectorization(I, VF); },
6803       Range);
6804
6805   bool IsPredicated = CM.isScalarWithPredication(I);
6806   auto *Recipe = new VPReplicateRecipe(I, IsUniform, IsPredicated);
6807
6808   // Find if I uses a predicated instruction. If so, it will use its scalar
6809   // value. Avoid hoisting the insert-element which packs the scalar value into
6810   // a vector value, as that happens iff all users use the vector value.
6811   for (auto &Op : I->operands())
6812     if (auto *PredInst = dyn_cast<Instruction>(Op))
6813       if (PredInst2Recipe.find(PredInst) != PredInst2Recipe.end())
6814         PredInst2Recipe[PredInst]->setAlsoPack(false);
6815
6816   // Finalize the recipe for Instr, first if it is not predicated.
6817   if (!IsPredicated) {
6818     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Scalarizing:" << *I << "\n");
6819     VPBB->appendRecipe(Recipe);
6820     return VPBB;
6821   }
6822   LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Scalarizing and predicating:" << *I << "\n");
6823   assert(VPBB->getSuccessors().empty() &&
6824          "VPBB has successors when handling predicated replication.");
6825   // Record predicated instructions for above packing optimizations.
6826   PredInst2Recipe[I] = Recipe;
6827   VPBlockBase *Region = createReplicateRegion(I, Recipe, Plan);
6828   VPBlockUtils::insertBlockAfter(Region, VPBB);
6829   auto *RegSucc = new VPBasicBlock();
6830   VPBlockUtils::insertBlockAfter(RegSucc, Region);
6831   return RegSucc;
6832 }
6833
6834 VPRegionBlock *VPRecipeBuilder::createReplicateRegion(Instruction *Instr,
6835                                                       VPRecipeBase *PredRecipe,
6836                                                       VPlanPtr &Plan) {
6837   // Instructions marked for predication are replicated and placed under an
6838   // if-then construct to prevent side-effects.
6839
6840   // Generate recipes to compute the block mask for this region.
6841   VPValue *BlockInMask = createBlockInMask(Instr->getParent(), Plan);
6842
6843   // Build the triangular if-then region.
6844   std::string RegionName = (Twine("pred.") + Instr->getOpcodeName()).str();
6845   assert(Instr->getParent() && "Predicated instruction not in any basic block");
6846   auto *BOMRecipe = new VPBranchOnMaskRecipe(BlockInMask);
6847   auto *Entry = new VPBasicBlock(Twine(RegionName) + ".entry", BOMRecipe);
6848   auto *PHIRecipe =
6849       Instr->getType()->isVoidTy() ? nullptr : new VPPredInstPHIRecipe(Instr);
6850   auto *Exit = new VPBasicBlock(Twine(RegionName) + ".continue", PHIRecipe);
6851   auto *Pred = new VPBasicBlock(Twine(RegionName) + ".if", PredRecipe);
6852   VPRegionBlock *Region = new VPRegionBlock(Entry, Exit, RegionName, true);
6853
6854   // Note: first set Entry as region entry and then connect successors starting
6855   // from it in order, to propagate the "parent" of each VPBasicBlock.
6856   VPBlockUtils::insertTwoBlocksAfter(Pred, Exit, BlockInMask, Entry);
6857   VPBlockUtils::connectBlocks(Pred, Exit);
6858
6859   return Region;
6860 }
6861
6862 bool VPRecipeBuilder::tryToCreateRecipe(Instruction *Instr, VFRange &Range,
6863                                         VPlanPtr &Plan, VPBasicBlock *VPBB) {
6864   VPRecipeBase *Recipe = nullptr;
6865   // Check if Instr should belong to an interleave memory recipe, or already
6866   // does. In the latter case Instr is irrelevant.
6867   if ((Recipe = tryToInterleaveMemory(Instr, Range))) {
6868     VPBB->appendRecipe(Recipe);
6869     return true;
6870   }
6871
6872   // Check if Instr is a memory operation that should be widened.
6873   if ((Recipe = tryToWidenMemory(Instr, Range, Plan))) {
6874     VPBB->appendRecipe(Recipe);
6875     return true;
6876   }
6877
6878   // Check if Instr should form some PHI recipe.
6879   if ((Recipe = tryToOptimizeInduction(Instr, Range))) {
6880     VPBB->appendRecipe(Recipe);
6881     return true;
6882   }
6883   if ((Recipe = tryToBlend(Instr, Plan))) {
6884     VPBB->appendRecipe(Recipe);
6885     return true;
6886   }
6887   if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(Instr)) {
6888     VPBB->appendRecipe(new VPWidenPHIRecipe(Phi));
6889     return true;
6890   }
6891
6892   // Check if Instr is to be widened by a general VPWidenRecipe, after
6893   // having first checked for specific widening recipes that deal with
6894   // Interleave Groups, Inductions and Phi nodes.
6895   if (tryToWiden(Instr, VPBB, Range))
6896     return true;
6897
6898   return false;
6899 }
6900
6901 void LoopVectorizationPlanner::buildVPlansWithVPRecipes(unsigned MinVF,
6902                                                         unsigned MaxVF) {
6903   assert(OrigLoop->empty() && "Inner loop expected.");
6904
6905   // Collect conditions feeding internal conditional branches; they need to be
6906   // represented in VPlan for it to model masking.
6907   SmallPtrSet<Value *, 1> NeedDef;
6908
6909   auto *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
6910   for (BasicBlock *BB : OrigLoop->blocks()) {
6911     if (BB == Latch)
6912       continue;
6913     BranchInst *Branch = dyn_cast<BranchInst>(BB->getTerminator());
6914     if (Branch && Branch->isConditional())
6915       NeedDef.insert(Branch->getCondition());
6916   }
6917
6918   // Collect instructions from the original loop that will become trivially dead
6919   // in the vectorized loop. We don't need to vectorize these instructions. For
6920   // example, original induction update instructions can become dead because we
6921   // separately emit induction "steps" when generating code for the new loop.
6922   // Similarly, we create a new latch condition when setting up the structure
6923   // of the new loop, so the old one can become dead.
6924   SmallPtrSet<Instruction *, 4> DeadInstructions;
6925   collectTriviallyDeadInstructions(DeadInstructions);
6926
6927   for (unsigned VF = MinVF; VF < MaxVF + 1;) {
6928     VFRange SubRange = {VF, MaxVF + 1};
6929     VPlans.push_back(
6930         buildVPlanWithVPRecipes(SubRange, NeedDef, DeadInstructions));
6931     VF = SubRange.End;
6932   }
6933 }
6934
6935 LoopVectorizationPlanner::VPlanPtr
6936 LoopVectorizationPlanner::buildVPlanWithVPRecipes(
6937     VFRange &Range, SmallPtrSetImpl<Value *> &NeedDef,
6938     SmallPtrSetImpl<Instruction *> &DeadInstructions) {
6939   // Hold a mapping from predicated instructions to their recipes, in order to
6940   // fix their AlsoPack behavior if a user is determined to replicate and use a
6941   // scalar instead of vector value.
6942   DenseMap<Instruction *, VPReplicateRecipe *> PredInst2Recipe;
6943
6944   DenseMap<Instruction *, Instruction *> &SinkAfter = Legal->getSinkAfter();
6945   DenseMap<Instruction *, Instruction *> SinkAfterInverse;
6946
6947   // Create a dummy pre-entry VPBasicBlock to start building the VPlan.
6948   VPBasicBlock *VPBB = new VPBasicBlock("Pre-Entry");
6949   auto Plan = llvm::make_unique<VPlan>(VPBB);
6950
6951   VPRecipeBuilder RecipeBuilder(OrigLoop, TLI, TTI, Legal, CM, Builder);
6952   // Represent values that will have defs inside VPlan.
6953   for (Value *V : NeedDef)
6954     Plan->addVPValue(V);
6955
6956   // Scan the body of the loop in a topological order to visit each basic block
6957   // after having visited its predecessor basic blocks.
6958   LoopBlocksDFS DFS(OrigLoop);
6959   DFS.perform(LI);
6960
6961   for (BasicBlock *BB : make_range(DFS.beginRPO(), DFS.endRPO())) {
6962     // Relevant instructions from basic block BB will be grouped into VPRecipe
6963     // ingredients and fill a new VPBasicBlock.
6964     unsigned VPBBsForBB = 0;
6965     auto *FirstVPBBForBB = new VPBasicBlock(BB->getName());
6966     VPBlockUtils::insertBlockAfter(FirstVPBBForBB, VPBB);
6967     VPBB = FirstVPBBForBB;
6968     Builder.setInsertPoint(VPBB);
6969
6970     std::vector<Instruction *> Ingredients;
6971
6972     // Organize the ingredients to vectorize from current basic block in the
6973     // right order.
6974     for (Instruction &I : BB->instructionsWithoutDebug()) {
6975       Instruction *Instr = &I;
6976
6977       // First filter out irrelevant instructions, to ensure no recipes are
6978       // built for them.
6979       if (isa<BranchInst>(Instr) || DeadInstructions.count(Instr))
6980         continue;
6981
6982       // I is a member of an InterleaveGroup for Range.Start. If it's an adjunct
6983       // member of the IG, do not construct any Recipe for it.
6984       const InterleaveGroup *IG = CM.getInterleavedAccessGroup(Instr);
6985       if (IG && Instr != IG->getInsertPos() &&
6986           Range.Start >= 2 && // Query is illegal for VF == 1
6987           CM.getWideningDecision(Instr, Range.Start) ==
6988               LoopVectorizationCostModel::CM_Interleave) {
6989         if (SinkAfterInverse.count(Instr))
6990           Ingredients.push_back(SinkAfterInverse.find(Instr)->second);
6991         continue;
6992       }
6993
6994       // Move instructions to handle first-order recurrences, step 1: avoid
6995       // handling this instruction until after we've handled the instruction it
6996       // should follow.
6997       auto SAIt = SinkAfter.find(Instr);
6998       if (SAIt != SinkAfter.end()) {
6999         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Sinking" << *SAIt->first << " after"
7000                           << *SAIt->second
7001                           << " to vectorize a 1st order recurrence.\n");
7002         SinkAfterInverse[SAIt->second] = Instr;
7003         continue;
7004       }
7005
7006       Ingredients.push_back(Instr);
7007
7008       // Move instructions to handle first-order recurrences, step 2: push the
7009       // instruction to be sunk at its insertion point.
7010       auto SAInvIt = SinkAfterInverse.find(Instr);
7011       if (SAInvIt != SinkAfterInverse.end())
7012         Ingredients.push_back(SAInvIt->second);
7013     }
7014
7015     // Introduce each ingredient into VPlan.
7016     for (Instruction *Instr : Ingredients) {
7017       if (RecipeBuilder.tryToCreateRecipe(Instr, Range, Plan, VPBB))
7018         continue;
7019
7020       // Otherwise, if all widening options failed, Instruction is to be
7021       // replicated. This may create a successor for VPBB.
7022       VPBasicBlock *NextVPBB = RecipeBuilder.handleReplication(
7023           Instr, Range, VPBB, PredInst2Recipe, Plan);
7024       if (NextVPBB != VPBB) {
7025         VPBB = NextVPBB;
7026         VPBB->setName(BB->hasName() ? BB->getName() + "." + Twine(VPBBsForBB++)
7027                                     : "");
7028       }
7029     }
7030   }
7031
7032   // Discard empty dummy pre-entry VPBasicBlock. Note that other VPBasicBlocks
7033   // may also be empty, such as the last one VPBB, reflecting original
7034   // basic-blocks with no recipes.
7035   VPBasicBlock *PreEntry = cast<VPBasicBlock>(Plan->getEntry());
7036   assert(PreEntry->empty() && "Expecting empty pre-entry block.");
7037   VPBlockBase *Entry = Plan->setEntry(PreEntry->getSingleSuccessor());
7038   VPBlockUtils::disconnectBlocks(PreEntry, Entry);
7039   delete PreEntry;
7040
7041   std::string PlanName;
7042   raw_string_ostream RSO(PlanName);
7043   unsigned VF = Range.Start;
7044   Plan->addVF(VF);
7045   RSO << "Initial VPlan for VF={" << VF;
7046   for (VF *= 2; VF < Range.End; VF *= 2) {
7047     Plan->addVF(VF);
7048     RSO << "," << VF;
7049   }
7050   RSO << "},UF>=1";
7051   RSO.flush();
7052   Plan->setName(PlanName);
7053
7054   return Plan;
7055 }
7056
7057 LoopVectorizationPlanner::VPlanPtr
7058 LoopVectorizationPlanner::buildVPlan(VFRange &Range) {
7059   // Outer loop handling: They may require CFG and instruction level
7060   // transformations before even evaluating whether vectorization is profitable.
7061   // Since we cannot modify the incoming IR, we need to build VPlan upfront in
7062   // the vectorization pipeline.
7063   assert(!OrigLoop->empty());
7064   assert(EnableVPlanNativePath && "VPlan-native path is not enabled.");
7065
7066   // Create new empty VPlan
7067   auto Plan = llvm::make_unique<VPlan>();
7068
7069   // Build hierarchical CFG
7070   VPlanHCFGBuilder HCFGBuilder(OrigLoop, LI, *Plan);
7071   HCFGBuilder.buildHierarchicalCFG();
7072
7073   return Plan;
7074 }
7075
7076 Value* LoopVectorizationPlanner::VPCallbackILV::
7077 getOrCreateVectorValues(Value *V, unsigned Part) {
7078       return ILV.getOrCreateVectorValue(V, Part);
7079 }
7080
7081 void VPInterleaveRecipe::print(raw_ostream &O, const Twine &Indent) const {
7082   O << " +\n"
7083     << Indent << "\"INTERLEAVE-GROUP with factor " << IG->getFactor() << " at ";
7084   IG->getInsertPos()->printAsOperand(O, false);
7085   O << "\\l\"";
7086   for (unsigned i = 0; i < IG->getFactor(); ++i)
7087     if (Instruction *I = IG->getMember(i))
7088       O << " +\n"
7089         << Indent << "\"  " << VPlanIngredient(I) << " " << i << "\\l\"";
7090 }
7091
7092 void VPWidenRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7093   for (auto &Instr : make_range(Begin, End))
7094     State.ILV->widenInstruction(Instr);
7095 }
7096
7097 void VPWidenIntOrFpInductionRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7098   assert(!State.Instance && "Int or FP induction being replicated.");
7099   State.ILV->widenIntOrFpInduction(IV, Trunc);
7100 }
7101
7102 void VPWidenPHIRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7103   State.ILV->widenPHIInstruction(Phi, State.UF, State.VF);
7104 }
7105
7106 void VPBlendRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7107   State.ILV->setDebugLocFromInst(State.Builder, Phi);
7108   // We know that all PHIs in non-header blocks are converted into
7109   // selects, so we don't have to worry about the insertion order and we
7110   // can just use the builder.
7111   // At this point we generate the predication tree. There may be
7112   // duplications since this is a simple recursive scan, but future
7113   // optimizations will clean it up.
7114
7115   unsigned NumIncoming = Phi->getNumIncomingValues();
7116
7117   assert((User || NumIncoming == 1) &&
7118          "Multiple predecessors with predecessors having a full mask");
7119   // Generate a sequence of selects of the form:
7120   // SELECT(Mask3, In3,
7121   //      SELECT(Mask2, In2,
7122   //                   ( ...)))
7123   InnerLoopVectorizer::VectorParts Entry(State.UF);
7124   for (unsigned In = 0; In < NumIncoming; ++In) {
7125     for (unsigned Part = 0; Part < State.UF; ++Part) {
7126       // We might have single edge PHIs (blocks) - use an identity
7127       // 'select' for the first PHI operand.
7128       Value *In0 =
7129           State.ILV->getOrCreateVectorValue(Phi->getIncomingValue(In), Part);
7130       if (In == 0)
7131         Entry[Part] = In0; // Initialize with the first incoming value.
7132       else {
7133         // Select between the current value and the previous incoming edge
7134         // based on the incoming mask.
7135         Value *Cond = State.get(User->getOperand(In), Part);
7136         Entry[Part] =
7137             State.Builder.CreateSelect(Cond, In0, Entry[Part], "predphi");
7138       }
7139     }
7140   }
7141   for (unsigned Part = 0; Part < State.UF; ++Part)
7142     State.ValueMap.setVectorValue(Phi, Part, Entry[Part]);
7143 }
7144
7145 void VPInterleaveRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7146   assert(!State.Instance && "Interleave group being replicated.");
7147   State.ILV->vectorizeInterleaveGroup(IG->getInsertPos());
7148 }
7149
7150 void VPReplicateRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7151   if (State.Instance) { // Generate a single instance.
7152     State.ILV->scalarizeInstruction(Ingredient, *State.Instance, IsPredicated);
7153     // Insert scalar instance packing it into a vector.
7154     if (AlsoPack && State.VF > 1) {
7155       // If we're constructing lane 0, initialize to start from undef.
7156       if (State.Instance->Lane == 0) {
7157         Value *Undef =
7158             UndefValue::get(VectorType::get(Ingredient->getType(), State.VF));
7159         State.ValueMap.setVectorValue(Ingredient, State.Instance->Part, Undef);
7160       }
7161       State.ILV->packScalarIntoVectorValue(Ingredient, *State.Instance);
7162     }
7163     return;
7164   }
7165
7166   // Generate scalar instances for all VF lanes of all UF parts, unless the
7167   // instruction is uniform inwhich case generate only the first lane for each
7168   // of the UF parts.
7169   unsigned EndLane = IsUniform ? 1 : State.VF;
7170   for (unsigned Part = 0; Part < State.UF; ++Part)
7171     for (unsigned Lane = 0; Lane < EndLane; ++Lane)
7172       State.ILV->scalarizeInstruction(Ingredient, {Part, Lane}, IsPredicated);
7173 }
7174
7175 void VPBranchOnMaskRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7176   assert(State.Instance && "Branch on Mask works only on single instance.");
7177
7178   unsigned Part = State.Instance->Part;
7179   unsigned Lane = State.Instance->Lane;
7180
7181   Value *ConditionBit = nullptr;
7182   if (!User) // Block in mask is all-one.
7183     ConditionBit = State.Builder.getTrue();
7184   else {
7185     VPValue *BlockInMask = User->getOperand(0);
7186     ConditionBit = State.get(BlockInMask, Part);
7187     if (ConditionBit->getType()->isVectorTy())
7188       ConditionBit = State.Builder.CreateExtractElement(
7189           ConditionBit, State.Builder.getInt32(Lane));
7190   }
7191
7192   // Replace the temporary unreachable terminator with a new conditional branch,
7193   // whose two destinations will be set later when they are created.
7194   auto *CurrentTerminator = State.CFG.PrevBB->getTerminator();
7195   assert(isa<UnreachableInst>(CurrentTerminator) &&
7196          "Expected to replace unreachable terminator with conditional branch.");
7197   auto *CondBr = BranchInst::Create(State.CFG.PrevBB, nullptr, ConditionBit);
7198   CondBr->setSuccessor(0, nullptr);
7199   ReplaceInstWithInst(CurrentTerminator, CondBr);
7200 }
7201
7202 void VPPredInstPHIRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7203   assert(State.Instance && "Predicated instruction PHI works per instance.");
7204   Instruction *ScalarPredInst = cast<Instruction>(
7205       State.ValueMap.getScalarValue(PredInst, *State.Instance));
7206   BasicBlock *PredicatedBB = ScalarPredInst->getParent();
7207   BasicBlock *PredicatingBB = PredicatedBB->getSinglePredecessor();
7208   assert(PredicatingBB && "Predicated block has no single predecessor.");
7209
7210   // By current pack/unpack logic we need to generate only a single phi node: if
7211   // a vector value for the predicated instruction exists at this point it means
7212   // the instruction has vector users only, and a phi for the vector value is
7213   // needed. In this case the recipe of the predicated instruction is marked to
7214   // also do that packing, thereby "hoisting" the insert-element sequence.
7215   // Otherwise, a phi node for the scalar value is needed.
7216   unsigned Part = State.Instance->Part;
7217   if (State.ValueMap.hasVectorValue(PredInst, Part)) {
7218     Value *VectorValue = State.ValueMap.getVectorValue(PredInst, Part);
7219     InsertElementInst *IEI = cast<InsertElementInst>(VectorValue);
7220     PHINode *VPhi = State.Builder.CreatePHI(IEI->getType(), 2);
7221     VPhi->addIncoming(IEI->getOperand(0), PredicatingBB); // Unmodified vector.
7222     VPhi->addIncoming(IEI, PredicatedBB); // New vector with inserted element.
7223     State.ValueMap.resetVectorValue(PredInst, Part, VPhi); // Update cache.
7224   } else {
7225     Type *PredInstType = PredInst->getType();
7226     PHINode *Phi = State.Builder.CreatePHI(PredInstType, 2);
7227     Phi->addIncoming(UndefValue::get(ScalarPredInst->getType()), PredicatingBB);
7228     Phi->addIncoming(ScalarPredInst, PredicatedBB);
7229     State.ValueMap.resetScalarValue(PredInst, *State.Instance, Phi);
7230   }
7231 }
7232
7233 void VPWidenMemoryInstructionRecipe::execute(VPTransformState &State) {
7234   if (!User)
7235     return State.ILV->vectorizeMemoryInstruction(&Instr);
7236
7237   // Last (and currently only) operand is a mask.
7238   InnerLoopVectorizer::VectorParts MaskValues(State.UF);
7239   VPValue *Mask = User->getOperand(User->getNumOperands() - 1);
7240   for (unsigned Part = 0; Part < State.UF; ++Part)
7241     MaskValues[Part] = State.get(Mask, Part);
7242   State.ILV->vectorizeMemoryInstruction(&Instr, &MaskValues);
7243 }
7244
7245 // Process the loop in the VPlan-native vectorization path. This path builds
7246 // VPlan upfront in the vectorization pipeline, which allows to apply
7247 // VPlan-to-VPlan transformations from the very beginning without modifying the
7248 // input LLVM IR.
7249 static bool processLoopInVPlanNativePath(
7250     Loop *L, PredicatedScalarEvolution &PSE, LoopInfo *LI, DominatorTree *DT,
7251     LoopVectorizationLegality *LVL, TargetTransformInfo *TTI,
7252     TargetLibraryInfo *TLI, DemandedBits *DB, AssumptionCache *AC,
7253     OptimizationRemarkEmitter *ORE, LoopVectorizeHints &Hints) {
7254
7255   assert(EnableVPlanNativePath && "VPlan-native path is disabled.");
7256   Function *F = L->getHeader()->getParent();
7257   InterleavedAccessInfo IAI(PSE, L, DT, LI, LVL->getLAI());
7258   LoopVectorizationCostModel CM(L, PSE, LI, LVL, *TTI, TLI, DB, AC, ORE, F,
7259                                 &Hints, IAI);
7260   // Use the planner for outer loop vectorization.
7261   // TODO: CM is not used at this point inside the planner. Turn CM into an
7262   // optional argument if we don't need it in the future.
7263   LoopVectorizationPlanner LVP(L, LI, TLI, TTI, LVL, CM);
7264
7265   // Get user vectorization factor.
7266   unsigned UserVF = Hints.getWidth();
7267
7268   // Check the function attributes to find out if this function should be
7269   // optimized for size.
7270   bool OptForSize =
7271       Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled && F->optForSize();
7272
7273   // Plan how to best vectorize, return the best VF and its cost.
7274   LVP.planInVPlanNativePath(OptForSize, UserVF);
7275
7276   // Returning false. We are currently not generating vector code in the VPlan
7277   // native path.
7278   return false;
7279 }
7280
7281 bool LoopVectorizePass::processLoop(Loop *L) {
7282   assert((EnableVPlanNativePath || L->empty()) &&
7283          "VPlan-native path is not enabled. Only process inner loops.");
7284
7285 #ifndef NDEBUG
7286   const std::string DebugLocStr = getDebugLocString(L);
7287 #endif /* NDEBUG */
7288
7289   LLVM_DEBUG(dbgs() << "\nLV: Checking a loop in \""
7290                     << L->getHeader()->getParent()->getName() << "\" from "
7291                     << DebugLocStr << "\n");
7292
7293   LoopVectorizeHints Hints(L, DisableUnrolling, *ORE);
7294
7295   LLVM_DEBUG(
7296       dbgs() << "LV: Loop hints:"
7297              << " force="
7298              << (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Disabled
7299                      ? "disabled"
7300                      : (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled
7301                             ? "enabled"
7302                             : "?"))
7303              << " width=" << Hints.getWidth()
7304              << " unroll=" << Hints.getInterleave() << "\n");
7305
7306   // Function containing loop
7307   Function *F = L->getHeader()->getParent();
7308
7309   // Looking at the diagnostic output is the only way to determine if a loop
7310   // was vectorized (other than looking at the IR or machine code), so it
7311   // is important to generate an optimization remark for each loop. Most of
7312   // these messages are generated as OptimizationRemarkAnalysis. Remarks
7313   // generated as OptimizationRemark and OptimizationRemarkMissed are
7314   // less verbose reporting vectorized loops and unvectorized loops that may
7315   // benefit from vectorization, respectively.
7316
7317   if (!Hints.allowVectorization(F, L, AlwaysVectorize)) {
7318     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Loop hints prevent vectorization.\n");
7319     return false;
7320   }
7321
7322   PredicatedScalarEvolution PSE(*SE, *L);
7323
7324   // Check if it is legal to vectorize the loop.
7325   LoopVectorizationRequirements Requirements(*ORE);
7326   LoopVectorizationLegality LVL(L, PSE, DT, TLI, AA, F, GetLAA, LI, ORE,
7327                                 &Requirements, &Hints, DB, AC);
7328   if (!LVL.canVectorize(EnableVPlanNativePath)) {
7329     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Cannot prove legality.\n");
7330     emitMissedWarning(F, L, Hints, ORE);
7331     return false;
7332   }
7333
7334   // Check the function attributes to find out if this function should be
7335   // optimized for size.
7336   bool OptForSize =
7337       Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled && F->optForSize();
7338
7339   // Entrance to the VPlan-native vectorization path. Outer loops are processed
7340   // here. They may require CFG and instruction level transformations before
7341   // even evaluating whether vectorization is profitable. Since we cannot modify
7342   // the incoming IR, we need to build VPlan upfront in the vectorization
7343   // pipeline.
7344   if (!L->empty())
7345     return processLoopInVPlanNativePath(L, PSE, LI, DT, &LVL, TTI, TLI, DB, AC,
7346                                         ORE, Hints);
7347
7348   assert(L->empty() && "Inner loop expected.");
7349   // Check the loop for a trip count threshold: vectorize loops with a tiny trip
7350   // count by optimizing for size, to minimize overheads.
7351   // Prefer constant trip counts over profile data, over upper bound estimate.
7352   unsigned ExpectedTC = 0;
7353   bool HasExpectedTC = false;
7354   if (const SCEVConstant *ConstExits =
7355       dyn_cast<SCEVConstant>(SE->getBackedgeTakenCount(L))) {
7356     const APInt &ExitsCount = ConstExits->getAPInt();
7357     // We are interested in small values for ExpectedTC. Skip over those that
7358     // can't fit an unsigned.
7359     if (ExitsCount.ult(std::numeric_limits<unsigned>::max())) {
7360       ExpectedTC = static_cast<unsigned>(ExitsCount.getZExtValue()) + 1;
7361       HasExpectedTC = true;
7362     }
7363   }
7364   // ExpectedTC may be large because it's bound by a variable. Check
7365   // profiling information to validate we should vectorize.
7366   if (!HasExpectedTC && LoopVectorizeWithBlockFrequency) {
7367     auto EstimatedTC = getLoopEstimatedTripCount(L);
7368     if (EstimatedTC) {
7369       ExpectedTC = *EstimatedTC;
7370       HasExpectedTC = true;
7371     }
7372   }
7373   if (!HasExpectedTC) {
7374     ExpectedTC = SE->getSmallConstantMaxTripCount(L);
7375     HasExpectedTC = (ExpectedTC > 0);
7376   }
7377
7378   if (HasExpectedTC && ExpectedTC < TinyTripCountVectorThreshold) {
7379     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. "
7380                       << "This loop is worth vectorizing only if no scalar "
7381                       << "iteration overheads are incurred.");
7382     if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled)
7383       LLVM_DEBUG(dbgs() << " But vectorizing was explicitly forced.\n");
7384     else {
7385       LLVM_DEBUG(dbgs() << "\n");
7386       // Loops with a very small trip count are considered for vectorization
7387       // under OptForSize, thereby making sure the cost of their loop body is
7388       // dominant, free of runtime guards and scalar iteration overheads.
7389       OptForSize = true;
7390     }
7391   }
7392
7393   // Check the function attributes to see if implicit floats are allowed.
7394   // FIXME: This check doesn't seem possibly correct -- what if the loop is
7395   // an integer loop and the vector instructions selected are purely integer
7396   // vector instructions?
7397   if (F->hasFnAttribute(Attribute::NoImplicitFloat)) {
7398     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize when the NoImplicitFloat"
7399                          "attribute is used.\n");
7400     ORE->emit(createLVMissedAnalysis(Hints.vectorizeAnalysisPassName(),
7401                                      "NoImplicitFloat", L)
7402               << "loop not vectorized due to NoImplicitFloat attribute");
7403     emitMissedWarning(F, L, Hints, ORE);
7404     return false;
7405   }
7406
7407   // Check if the target supports potentially unsafe FP vectorization.
7408   // FIXME: Add a check for the type of safety issue (denormal, signaling)
7409   // for the target we're vectorizing for, to make sure none of the
7410   // additional fp-math flags can help.
7411   if (Hints.isPotentiallyUnsafe() &&
7412       TTI->isFPVectorizationPotentiallyUnsafe()) {
7413     LLVM_DEBUG(
7414         dbgs() << "LV: Potentially unsafe FP op prevents vectorization.\n");
7415     ORE->emit(
7416         createLVMissedAnalysis(Hints.vectorizeAnalysisPassName(), "UnsafeFP", L)
7417         << "loop not vectorized due to unsafe FP support.");
7418     emitMissedWarning(F, L, Hints, ORE);
7419     return false;
7420   }
7421
7422   bool UseInterleaved = TTI->enableInterleavedAccessVectorization();
7423   InterleavedAccessInfo IAI(PSE, L, DT, LI, LVL.getLAI());
7424
7425   // If an override option has been passed in for interleaved accesses, use it.
7426   if (EnableInterleavedMemAccesses.getNumOccurrences() > 0)
7427     UseInterleaved = EnableInterleavedMemAccesses;
7428
7429   // Analyze interleaved memory accesses.
7430   if (UseInterleaved) {
7431     IAI.analyzeInterleaving();
7432   }
7433
7434   // Use the cost model.
7435   LoopVectorizationCostModel CM(L, PSE, LI, &LVL, *TTI, TLI, DB, AC, ORE, F,
7436                                 &Hints, IAI);
7437   CM.collectValuesToIgnore();
7438
7439   // Use the planner for vectorization.
7440   LoopVectorizationPlanner LVP(L, LI, TLI, TTI, &LVL, CM);
7441
7442   // Get user vectorization factor.
7443   unsigned UserVF = Hints.getWidth();
7444
7445   // Plan how to best vectorize, return the best VF and its cost.
7446   VectorizationFactor VF = LVP.plan(OptForSize, UserVF);
7447
7448   // Select the interleave count.
7449   unsigned IC = CM.selectInterleaveCount(OptForSize, VF.Width, VF.Cost);
7450
7451   // Get user interleave count.
7452   unsigned UserIC = Hints.getInterleave();
7453
7454   // Identify the diagnostic messages that should be produced.
7455   std::pair<StringRef, std::string> VecDiagMsg, IntDiagMsg;
7456   bool VectorizeLoop = true, InterleaveLoop = true;
7457   if (Requirements.doesNotMeet(F, L, Hints)) {
7458     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: loop did not meet vectorization "
7459                          "requirements.\n");
7460     emitMissedWarning(F, L, Hints, ORE);
7461     return false;
7462   }
7463
7464   if (VF.Width == 1) {
7465     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial.\n");
7466     VecDiagMsg = std::make_pair(
7467         "VectorizationNotBeneficial",
7468         "the cost-model indicates that vectorization is not beneficial");
7469     VectorizeLoop = false;
7470   }
7471
7472   if (IC == 1 && UserIC <= 1) {
7473     // Tell the user interleaving is not beneficial.
7474     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Interleaving is not beneficial.\n");
7475     IntDiagMsg = std::make_pair(
7476         "InterleavingNotBeneficial",
7477         "the cost-model indicates that interleaving is not beneficial");
7478     InterleaveLoop = false;
7479     if (UserIC == 1) {
7480       IntDiagMsg.first = "InterleavingNotBeneficialAndDisabled";
7481       IntDiagMsg.second +=
7482           " and is explicitly disabled or interleave count is set to 1";
7483     }
7484   } else if (IC > 1 && UserIC == 1) {
7485     // Tell the user interleaving is beneficial, but it explicitly disabled.
7486     LLVM_DEBUG(
7487         dbgs() << "LV: Interleaving is beneficial but is explicitly disabled.");
7488     IntDiagMsg = std::make_pair(
7489         "InterleavingBeneficialButDisabled",
7490         "the cost-model indicates that interleaving is beneficial "
7491         "but is explicitly disabled or interleave count is set to 1");
7492     InterleaveLoop = false;
7493   }
7494
7495   // Override IC if user provided an interleave count.
7496   IC = UserIC > 0 ? UserIC : IC;
7497
7498   // Emit diagnostic messages, if any.
7499   const char *VAPassName = Hints.vectorizeAnalysisPassName();
7500   if (!VectorizeLoop && !InterleaveLoop) {
7501     // Do not vectorize or interleaving the loop.
7502     ORE->emit([&]() {
7503       return OptimizationRemarkMissed(VAPassName, VecDiagMsg.first,
7504                                       L->getStartLoc(), L->getHeader())
7505              << VecDiagMsg.second;
7506     });
7507     ORE->emit([&]() {
7508       return OptimizationRemarkMissed(LV_NAME, IntDiagMsg.first,
7509                                       L->getStartLoc(), L->getHeader())
7510              << IntDiagMsg.second;
7511     });
7512     return false;
7513   } else if (!VectorizeLoop && InterleaveLoop) {
7514     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Interleave Count is " << IC << '\n');
7515     ORE->emit([&]() {
7516       return OptimizationRemarkAnalysis(VAPassName, VecDiagMsg.first,
7517                                         L->getStartLoc(), L->getHeader())
7518              << VecDiagMsg.second;
7519     });
7520   } else if (VectorizeLoop && !InterleaveLoop) {
7521     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop (" << VF.Width
7522                       << ") in " << DebugLocStr << '\n');
7523     ORE->emit([&]() {
7524       return OptimizationRemarkAnalysis(LV_NAME, IntDiagMsg.first,
7525                                         L->getStartLoc(), L->getHeader())
7526              << IntDiagMsg.second;
7527     });
7528   } else if (VectorizeLoop && InterleaveLoop) {
7529     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop (" << VF.Width
7530                       << ") in " << DebugLocStr << '\n');
7531     LLVM_DEBUG(dbgs() << "LV: Interleave Count is " << IC << '\n');
7532   }
7533
7534   LVP.setBestPlan(VF.Width, IC);
7535
7536   using namespace ore;
7537
7538   if (!VectorizeLoop) {
7539     assert(IC > 1 && "interleave count should not be 1 or 0");
7540     // If we decided that it is not legal to vectorize the loop, then
7541     // interleave it.
7542     InnerLoopUnroller Unroller(L, PSE, LI, DT, TLI, TTI, AC, ORE, IC, &LVL,
7543                                &CM);
7544     LVP.executePlan(Unroller, DT);
7545
7546     ORE->emit([&]() {
7547       return OptimizationRemark(LV_NAME, "Interleaved", L->getStartLoc(),
7548                                 L->getHeader())
7549              << "interleaved loop (interleaved count: "
7550              << NV("InterleaveCount", IC) << ")";
7551     });
7552   } else {
7553     // If we decided that it is *legal* to vectorize the loop, then do it.
7554     InnerLoopVectorizer LB(L, PSE, LI, DT, TLI, TTI, AC, ORE, VF.Width, IC,
7555                            &LVL, &CM);
7556     LVP.executePlan(LB, DT);
7557     ++LoopsVectorized;
7558
7559     // Add metadata to disable runtime unrolling a scalar loop when there are
7560     // no runtime checks about strides and memory. A scalar loop that is
7561     // rarely used is not worth unrolling.
7562     if (!LB.areSafetyChecksAdded())
7563       AddRuntimeUnrollDisableMetaData(L);
7564
7565     // Report the vectorization decision.
7566     ORE->emit([&]() {
7567       return OptimizationRemark(LV_NAME, "Vectorized", L->getStartLoc(),
7568                                 L->getHeader())
7569              << "vectorized loop (vectorization width: "
7570              << NV("VectorizationFactor", VF.Width)
7571              << ", interleaved count: " << NV("InterleaveCount", IC) << ")";
7572     });
7573   }
7574
7575   // Mark the loop as already vectorized to avoid vectorizing again.
7576   Hints.setAlreadyVectorized();
7577
7578   LLVM_DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
7579   return true;
7580 }
7581
7582 bool LoopVectorizePass::runImpl(
7583     Function &F, ScalarEvolution &SE_, LoopInfo &LI_, TargetTransformInfo &TTI_,
7584     DominatorTree &DT_, BlockFrequencyInfo &BFI_, TargetLibraryInfo *TLI_,
7585     DemandedBits &DB_, AliasAnalysis &AA_, AssumptionCache &AC_,
7586     std::function<const LoopAccessInfo &(Loop &)> &GetLAA_,
7587     OptimizationRemarkEmitter &ORE_) {
7588   SE = &SE_;
7589   LI = &LI_;
7590   TTI = &TTI_;
7591   DT = &DT_;
7592   BFI = &BFI_;
7593   TLI = TLI_;
7594   AA = &AA_;
7595   AC = &AC_;
7596   GetLAA = &GetLAA_;
7597   DB = &DB_;
7598   ORE = &ORE_;
7599
7600   // Don't attempt if
7601   // 1. the target claims to have no vector registers, and
7602   // 2. interleaving won't help ILP.
7603   //
7604   // The second condition is necessary because, even if the target has no
7605   // vector registers, loop vectorization may still enable scalar
7606   // interleaving.
7607   if (!TTI->getNumberOfRegisters(true) && TTI->getMaxInterleaveFactor(1) < 2)
7608     return false;
7609
7610   bool Changed = false;
7611
7612   // The vectorizer requires loops to be in simplified form.
7613   // Since simplification may add new inner loops, it has to run before the
7614   // legality and profitability checks. This means running the loop vectorizer
7615   // will simplify all loops, regardless of whether anything end up being
7616   // vectorized.
7617   for (auto &L : *LI)
7618     Changed |= simplifyLoop(L, DT, LI, SE, AC, false /* PreserveLCSSA */);
7619
7620   // Build up a worklist of inner-loops to vectorize. This is necessary as
7621   // the act of vectorizing or partially unrolling a loop creates new loops
7622   // and can invalidate iterators across the loops.
7623   SmallVector<Loop *, 8> Worklist;
7624
7625   for (Loop *L : *LI)
7626     collectSupportedLoops(*L, LI, ORE, Worklist);
7627
7628   LoopsAnalyzed += Worklist.size();
7629
7630   // Now walk the identified inner loops.
7631   while (!Worklist.empty()) {
7632     Loop *L = Worklist.pop_back_val();
7633
7634     // For the inner loops we actually process, form LCSSA to simplify the
7635     // transform.
7636     Changed |= formLCSSARecursively(*L, *DT, LI, SE);
7637
7638     Changed |= processLoop(L);
7639   }
7640
7641   // Process each loop nest in the function.
7642   return Changed;
7643 }
7644
7645 PreservedAnalyses LoopVectorizePass::run(Function &F,
7646                                          FunctionAnalysisManager &AM) {
7647     auto &SE = AM.getResult<ScalarEvolutionAnalysis>(F);
7648     auto &LI = AM.getResult<LoopAnalysis>(F);
7649     auto &TTI = AM.getResult<TargetIRAnalysis>(F);
7650     auto &DT = AM.getResult<DominatorTreeAnalysis>(F);
7651     auto &BFI = AM.getResult<BlockFrequencyAnalysis>(F);
7652     auto &TLI = AM.getResult<TargetLibraryAnalysis>(F);
7653     auto &AA = AM.getResult<AAManager>(F);
7654     auto &AC = AM.getResult<AssumptionAnalysis>(F);
7655     auto &DB = AM.getResult<DemandedBitsAnalysis>(F);
7656     auto &ORE = AM.getResult<OptimizationRemarkEmitterAnalysis>(F);
7657
7658     auto &LAM = AM.getResult<LoopAnalysisManagerFunctionProxy>(F).getManager();
7659     std::function<const LoopAccessInfo &(Loop &)> GetLAA =
7660         [&](Loop &L) -> const LoopAccessInfo & {
7661       LoopStandardAnalysisResults AR = {AA, AC, DT, LI, SE, TLI, TTI, nullptr};
7662       return LAM.getResult<LoopAccessAnalysis>(L, AR);
7663     };
7664     bool Changed =
7665         runImpl(F, SE, LI, TTI, DT, BFI, &TLI, DB, AA, AC, GetLAA, ORE);
7666     if (!Changed)
7667       return PreservedAnalyses::all();
7668     PreservedAnalyses PA;
7669     PA.preserve<LoopAnalysis>();
7670     PA.preserve<DominatorTreeAnalysis>();
7671     PA.preserve<BasicAA>();
7672     PA.preserve<GlobalsAA>();
7673     return PA;
7674 }