]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - lib/Transforms/Scalar/NewGVN.cpp
Vendor import of llvm trunk r351319 (just before the release_80 branch
[FreeBSD/FreeBSD.git] / lib / Transforms / Scalar / NewGVN.cpp
1 //===- NewGVN.cpp - Global Value Numbering Pass ---------------------------===//
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 /// \file
11 /// This file implements the new LLVM's Global Value Numbering pass.
12 /// GVN partitions values computed by a function into congruence classes.
13 /// Values ending up in the same congruence class are guaranteed to be the same
14 /// for every execution of the program. In that respect, congruency is a
15 /// compile-time approximation of equivalence of values at runtime.
16 /// The algorithm implemented here uses a sparse formulation and it's based
17 /// on the ideas described in the paper:
18 /// "A Sparse Algorithm for Predicated Global Value Numbering" from
19 /// Karthik Gargi.
20 ///
21 /// A brief overview of the algorithm: The algorithm is essentially the same as
22 /// the standard RPO value numbering algorithm (a good reference is the paper
23 /// "SCC based value numbering" by L. Taylor Simpson) with one major difference:
24 /// The RPO algorithm proceeds, on every iteration, to process every reachable
25 /// block and every instruction in that block.  This is because the standard RPO
26 /// algorithm does not track what things have the same value number, it only
27 /// tracks what the value number of a given operation is (the mapping is
28 /// operation -> value number).  Thus, when a value number of an operation
29 /// changes, it must reprocess everything to ensure all uses of a value number
30 /// get updated properly.  In constrast, the sparse algorithm we use *also*
31 /// tracks what operations have a given value number (IE it also tracks the
32 /// reverse mapping from value number -> operations with that value number), so
33 /// that it only needs to reprocess the instructions that are affected when
34 /// something's value number changes.  The vast majority of complexity and code
35 /// in this file is devoted to tracking what value numbers could change for what
36 /// instructions when various things happen.  The rest of the algorithm is
37 /// devoted to performing symbolic evaluation, forward propagation, and
38 /// simplification of operations based on the value numbers deduced so far
39 ///
40 /// In order to make the GVN mostly-complete, we use a technique derived from
41 /// "Detection of Redundant Expressions: A Complete and Polynomial-time
42 /// Algorithm in SSA" by R.R. Pai.  The source of incompleteness in most SSA
43 /// based GVN algorithms is related to their inability to detect equivalence
44 /// between phi of ops (IE phi(a+b, c+d)) and op of phis (phi(a,c) + phi(b, d)).
45 /// We resolve this issue by generating the equivalent "phi of ops" form for
46 /// each op of phis we see, in a way that only takes polynomial time to resolve.
47 ///
48 /// We also do not perform elimination by using any published algorithm.  All
49 /// published algorithms are O(Instructions). Instead, we use a technique that
50 /// is O(number of operations with the same value number), enabling us to skip
51 /// trying to eliminate things that have unique value numbers.
52 //
53 //===----------------------------------------------------------------------===//
54
55 #include "llvm/Transforms/Scalar/NewGVN.h"
56 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
57 #include "llvm/ADT/BitVector.h"
58 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
59 #include "llvm/ADT/DenseMapInfo.h"
60 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
61 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
62 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
63 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
64 #include "llvm/ADT/PointerIntPair.h"
65 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
66 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
67 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
68 #include "llvm/ADT/SparseBitVector.h"
69 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
70 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
71 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
72 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
73 #include "llvm/Analysis/CFGPrinter.h"
74 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
75 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
76 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
77 #include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
78 #include "llvm/Analysis/MemorySSA.h"
79 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
80 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
81 #include "llvm/IR/Argument.h"
82 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
83 #include "llvm/IR/Constant.h"
84 #include "llvm/IR/Constants.h"
85 #include "llvm/IR/Dominators.h"
86 #include "llvm/IR/Function.h"
87 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
88 #include "llvm/IR/Instruction.h"
89 #include "llvm/IR/Instructions.h"
90 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
91 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
92 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
93 #include "llvm/IR/Type.h"
94 #include "llvm/IR/Use.h"
95 #include "llvm/IR/User.h"
96 #include "llvm/IR/Value.h"
97 #include "llvm/Pass.h"
98 #include "llvm/Support/Allocator.h"
99 #include "llvm/Support/ArrayRecycler.h"
100 #include "llvm/Support/Casting.h"
101 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
102 #include "llvm/Support/Debug.h"
103 #include "llvm/Support/DebugCounter.h"
104 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
105 #include "llvm/Support/PointerLikeTypeTraits.h"
106 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
107 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
108 #include "llvm/Transforms/Scalar/GVNExpression.h"
109 #include "llvm/Transforms/Utils/PredicateInfo.h"
110 #include "llvm/Transforms/Utils/VNCoercion.h"
111 #include <algorithm>
112 #include <cassert>
113 #include <cstdint>
114 #include <iterator>
115 #include <map>
116 #include <memory>
117 #include <set>
118 #include <string>
119 #include <tuple>
120 #include <utility>
121 #include <vector>
122
123 using namespace llvm;
124 using namespace llvm::GVNExpression;
125 using namespace llvm::VNCoercion;
126
127 #define DEBUG_TYPE "newgvn"
128
129 STATISTIC(NumGVNInstrDeleted, "Number of instructions deleted");
130 STATISTIC(NumGVNBlocksDeleted, "Number of blocks deleted");
131 STATISTIC(NumGVNOpsSimplified, "Number of Expressions simplified");
132 STATISTIC(NumGVNPhisAllSame, "Number of PHIs whos arguments are all the same");
133 STATISTIC(NumGVNMaxIterations,
134           "Maximum Number of iterations it took to converge GVN");
135 STATISTIC(NumGVNLeaderChanges, "Number of leader changes");
136 STATISTIC(NumGVNSortedLeaderChanges, "Number of sorted leader changes");
137 STATISTIC(NumGVNAvoidedSortedLeaderChanges,
138           "Number of avoided sorted leader changes");
139 STATISTIC(NumGVNDeadStores, "Number of redundant/dead stores eliminated");
140 STATISTIC(NumGVNPHIOfOpsCreated, "Number of PHI of ops created");
141 STATISTIC(NumGVNPHIOfOpsEliminations,
142           "Number of things eliminated using PHI of ops");
143 DEBUG_COUNTER(VNCounter, "newgvn-vn",
144               "Controls which instructions are value numbered");
145 DEBUG_COUNTER(PHIOfOpsCounter, "newgvn-phi",
146               "Controls which instructions we create phi of ops for");
147 // Currently store defining access refinement is too slow due to basicaa being
148 // egregiously slow.  This flag lets us keep it working while we work on this
149 // issue.
150 static cl::opt<bool> EnableStoreRefinement("enable-store-refinement",
151                                            cl::init(false), cl::Hidden);
152
153 /// Currently, the generation "phi of ops" can result in correctness issues.
154 static cl::opt<bool> EnablePhiOfOps("enable-phi-of-ops", cl::init(true),
155                                     cl::Hidden);
156
157 //===----------------------------------------------------------------------===//
158 //                                GVN Pass
159 //===----------------------------------------------------------------------===//
160
161 // Anchor methods.
162 namespace llvm {
163 namespace GVNExpression {
164
165 Expression::~Expression() = default;
166 BasicExpression::~BasicExpression() = default;
167 CallExpression::~CallExpression() = default;
168 LoadExpression::~LoadExpression() = default;
169 StoreExpression::~StoreExpression() = default;
170 AggregateValueExpression::~AggregateValueExpression() = default;
171 PHIExpression::~PHIExpression() = default;
172
173 } // end namespace GVNExpression
174 } // end namespace llvm
175
176 namespace {
177
178 // Tarjan's SCC finding algorithm with Nuutila's improvements
179 // SCCIterator is actually fairly complex for the simple thing we want.
180 // It also wants to hand us SCC's that are unrelated to the phi node we ask
181 // about, and have us process them there or risk redoing work.
182 // Graph traits over a filter iterator also doesn't work that well here.
183 // This SCC finder is specialized to walk use-def chains, and only follows
184 // instructions,
185 // not generic values (arguments, etc).
186 struct TarjanSCC {
187   TarjanSCC() : Components(1) {}
188
189   void Start(const Instruction *Start) {
190     if (Root.lookup(Start) == 0)
191       FindSCC(Start);
192   }
193
194   const SmallPtrSetImpl<const Value *> &getComponentFor(const Value *V) const {
195     unsigned ComponentID = ValueToComponent.lookup(V);
196
197     assert(ComponentID > 0 &&
198            "Asking for a component for a value we never processed");
199     return Components[ComponentID];
200   }
201
202 private:
203   void FindSCC(const Instruction *I) {
204     Root[I] = ++DFSNum;
205     // Store the DFS Number we had before it possibly gets incremented.
206     unsigned int OurDFS = DFSNum;
207     for (auto &Op : I->operands()) {
208       if (auto *InstOp = dyn_cast<Instruction>(Op)) {
209         if (Root.lookup(Op) == 0)
210           FindSCC(InstOp);
211         if (!InComponent.count(Op))
212           Root[I] = std::min(Root.lookup(I), Root.lookup(Op));
213       }
214     }
215     // See if we really were the root of a component, by seeing if we still have
216     // our DFSNumber.  If we do, we are the root of the component, and we have
217     // completed a component. If we do not, we are not the root of a component,
218     // and belong on the component stack.
219     if (Root.lookup(I) == OurDFS) {
220       unsigned ComponentID = Components.size();
221       Components.resize(Components.size() + 1);
222       auto &Component = Components.back();
223       Component.insert(I);
224       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Component root is " << *I << "\n");
225       InComponent.insert(I);
226       ValueToComponent[I] = ComponentID;
227       // Pop a component off the stack and label it.
228       while (!Stack.empty() && Root.lookup(Stack.back()) >= OurDFS) {
229         auto *Member = Stack.back();
230         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Component member is " << *Member << "\n");
231         Component.insert(Member);
232         InComponent.insert(Member);
233         ValueToComponent[Member] = ComponentID;
234         Stack.pop_back();
235       }
236     } else {
237       // Part of a component, push to stack
238       Stack.push_back(I);
239     }
240   }
241
242   unsigned int DFSNum = 1;
243   SmallPtrSet<const Value *, 8> InComponent;
244   DenseMap<const Value *, unsigned int> Root;
245   SmallVector<const Value *, 8> Stack;
246
247   // Store the components as vector of ptr sets, because we need the topo order
248   // of SCC's, but not individual member order
249   SmallVector<SmallPtrSet<const Value *, 8>, 8> Components;
250
251   DenseMap<const Value *, unsigned> ValueToComponent;
252 };
253
254 // Congruence classes represent the set of expressions/instructions
255 // that are all the same *during some scope in the function*.
256 // That is, because of the way we perform equality propagation, and
257 // because of memory value numbering, it is not correct to assume
258 // you can willy-nilly replace any member with any other at any
259 // point in the function.
260 //
261 // For any Value in the Member set, it is valid to replace any dominated member
262 // with that Value.
263 //
264 // Every congruence class has a leader, and the leader is used to symbolize
265 // instructions in a canonical way (IE every operand of an instruction that is a
266 // member of the same congruence class will always be replaced with leader
267 // during symbolization).  To simplify symbolization, we keep the leader as a
268 // constant if class can be proved to be a constant value.  Otherwise, the
269 // leader is the member of the value set with the smallest DFS number.  Each
270 // congruence class also has a defining expression, though the expression may be
271 // null.  If it exists, it can be used for forward propagation and reassociation
272 // of values.
273
274 // For memory, we also track a representative MemoryAccess, and a set of memory
275 // members for MemoryPhis (which have no real instructions). Note that for
276 // memory, it seems tempting to try to split the memory members into a
277 // MemoryCongruenceClass or something.  Unfortunately, this does not work
278 // easily.  The value numbering of a given memory expression depends on the
279 // leader of the memory congruence class, and the leader of memory congruence
280 // class depends on the value numbering of a given memory expression.  This
281 // leads to wasted propagation, and in some cases, missed optimization.  For
282 // example: If we had value numbered two stores together before, but now do not,
283 // we move them to a new value congruence class.  This in turn will move at one
284 // of the memorydefs to a new memory congruence class.  Which in turn, affects
285 // the value numbering of the stores we just value numbered (because the memory
286 // congruence class is part of the value number).  So while theoretically
287 // possible to split them up, it turns out to be *incredibly* complicated to get
288 // it to work right, because of the interdependency.  While structurally
289 // slightly messier, it is algorithmically much simpler and faster to do what we
290 // do here, and track them both at once in the same class.
291 // Note: The default iterators for this class iterate over values
292 class CongruenceClass {
293 public:
294   using MemberType = Value;
295   using MemberSet = SmallPtrSet<MemberType *, 4>;
296   using MemoryMemberType = MemoryPhi;
297   using MemoryMemberSet = SmallPtrSet<const MemoryMemberType *, 2>;
298
299   explicit CongruenceClass(unsigned ID) : ID(ID) {}
300   CongruenceClass(unsigned ID, Value *Leader, const Expression *E)
301       : ID(ID), RepLeader(Leader), DefiningExpr(E) {}
302
303   unsigned getID() const { return ID; }
304
305   // True if this class has no members left.  This is mainly used for assertion
306   // purposes, and for skipping empty classes.
307   bool isDead() const {
308     // If it's both dead from a value perspective, and dead from a memory
309     // perspective, it's really dead.
310     return empty() && memory_empty();
311   }
312
313   // Leader functions
314   Value *getLeader() const { return RepLeader; }
315   void setLeader(Value *Leader) { RepLeader = Leader; }
316   const std::pair<Value *, unsigned int> &getNextLeader() const {
317     return NextLeader;
318   }
319   void resetNextLeader() { NextLeader = {nullptr, ~0}; }
320   void addPossibleNextLeader(std::pair<Value *, unsigned int> LeaderPair) {
321     if (LeaderPair.second < NextLeader.second)
322       NextLeader = LeaderPair;
323   }
324
325   Value *getStoredValue() const { return RepStoredValue; }
326   void setStoredValue(Value *Leader) { RepStoredValue = Leader; }
327   const MemoryAccess *getMemoryLeader() const { return RepMemoryAccess; }
328   void setMemoryLeader(const MemoryAccess *Leader) { RepMemoryAccess = Leader; }
329
330   // Forward propagation info
331   const Expression *getDefiningExpr() const { return DefiningExpr; }
332
333   // Value member set
334   bool empty() const { return Members.empty(); }
335   unsigned size() const { return Members.size(); }
336   MemberSet::const_iterator begin() const { return Members.begin(); }
337   MemberSet::const_iterator end() const { return Members.end(); }
338   void insert(MemberType *M) { Members.insert(M); }
339   void erase(MemberType *M) { Members.erase(M); }
340   void swap(MemberSet &Other) { Members.swap(Other); }
341
342   // Memory member set
343   bool memory_empty() const { return MemoryMembers.empty(); }
344   unsigned memory_size() const { return MemoryMembers.size(); }
345   MemoryMemberSet::const_iterator memory_begin() const {
346     return MemoryMembers.begin();
347   }
348   MemoryMemberSet::const_iterator memory_end() const {
349     return MemoryMembers.end();
350   }
351   iterator_range<MemoryMemberSet::const_iterator> memory() const {
352     return make_range(memory_begin(), memory_end());
353   }
354
355   void memory_insert(const MemoryMemberType *M) { MemoryMembers.insert(M); }
356   void memory_erase(const MemoryMemberType *M) { MemoryMembers.erase(M); }
357
358   // Store count
359   unsigned getStoreCount() const { return StoreCount; }
360   void incStoreCount() { ++StoreCount; }
361   void decStoreCount() {
362     assert(StoreCount != 0 && "Store count went negative");
363     --StoreCount;
364   }
365
366   // True if this class has no memory members.
367   bool definesNoMemory() const { return StoreCount == 0 && memory_empty(); }
368
369   // Return true if two congruence classes are equivalent to each other. This
370   // means that every field but the ID number and the dead field are equivalent.
371   bool isEquivalentTo(const CongruenceClass *Other) const {
372     if (!Other)
373       return false;
374     if (this == Other)
375       return true;
376
377     if (std::tie(StoreCount, RepLeader, RepStoredValue, RepMemoryAccess) !=
378         std::tie(Other->StoreCount, Other->RepLeader, Other->RepStoredValue,
379                  Other->RepMemoryAccess))
380       return false;
381     if (DefiningExpr != Other->DefiningExpr)
382       if (!DefiningExpr || !Other->DefiningExpr ||
383           *DefiningExpr != *Other->DefiningExpr)
384         return false;
385
386     if (Members.size() != Other->Members.size())
387       return false;
388
389     return all_of(Members,
390                   [&](const Value *V) { return Other->Members.count(V); });
391   }
392
393 private:
394   unsigned ID;
395
396   // Representative leader.
397   Value *RepLeader = nullptr;
398
399   // The most dominating leader after our current leader, because the member set
400   // is not sorted and is expensive to keep sorted all the time.
401   std::pair<Value *, unsigned int> NextLeader = {nullptr, ~0U};
402
403   // If this is represented by a store, the value of the store.
404   Value *RepStoredValue = nullptr;
405
406   // If this class contains MemoryDefs or MemoryPhis, this is the leading memory
407   // access.
408   const MemoryAccess *RepMemoryAccess = nullptr;
409
410   // Defining Expression.
411   const Expression *DefiningExpr = nullptr;
412
413   // Actual members of this class.
414   MemberSet Members;
415
416   // This is the set of MemoryPhis that exist in the class. MemoryDefs and
417   // MemoryUses have real instructions representing them, so we only need to
418   // track MemoryPhis here.
419   MemoryMemberSet MemoryMembers;
420
421   // Number of stores in this congruence class.
422   // This is used so we can detect store equivalence changes properly.
423   int StoreCount = 0;
424 };
425
426 } // end anonymous namespace
427
428 namespace llvm {
429
430 struct ExactEqualsExpression {
431   const Expression &E;
432
433   explicit ExactEqualsExpression(const Expression &E) : E(E) {}
434
435   hash_code getComputedHash() const { return E.getComputedHash(); }
436
437   bool operator==(const Expression &Other) const {
438     return E.exactlyEquals(Other);
439   }
440 };
441
442 template <> struct DenseMapInfo<const Expression *> {
443   static const Expression *getEmptyKey() {
444     auto Val = static_cast<uintptr_t>(-1);
445     Val <<= PointerLikeTypeTraits<const Expression *>::NumLowBitsAvailable;
446     return reinterpret_cast<const Expression *>(Val);
447   }
448
449   static const Expression *getTombstoneKey() {
450     auto Val = static_cast<uintptr_t>(~1U);
451     Val <<= PointerLikeTypeTraits<const Expression *>::NumLowBitsAvailable;
452     return reinterpret_cast<const Expression *>(Val);
453   }
454
455   static unsigned getHashValue(const Expression *E) {
456     return E->getComputedHash();
457   }
458
459   static unsigned getHashValue(const ExactEqualsExpression &E) {
460     return E.getComputedHash();
461   }
462
463   static bool isEqual(const ExactEqualsExpression &LHS, const Expression *RHS) {
464     if (RHS == getTombstoneKey() || RHS == getEmptyKey())
465       return false;
466     return LHS == *RHS;
467   }
468
469   static bool isEqual(const Expression *LHS, const Expression *RHS) {
470     if (LHS == RHS)
471       return true;
472     if (LHS == getTombstoneKey() || RHS == getTombstoneKey() ||
473         LHS == getEmptyKey() || RHS == getEmptyKey())
474       return false;
475     // Compare hashes before equality.  This is *not* what the hashtable does,
476     // since it is computing it modulo the number of buckets, whereas we are
477     // using the full hash keyspace.  Since the hashes are precomputed, this
478     // check is *much* faster than equality.
479     if (LHS->getComputedHash() != RHS->getComputedHash())
480       return false;
481     return *LHS == *RHS;
482   }
483 };
484
485 } // end namespace llvm
486
487 namespace {
488
489 class NewGVN {
490   Function &F;
491   DominatorTree *DT;
492   const TargetLibraryInfo *TLI;
493   AliasAnalysis *AA;
494   MemorySSA *MSSA;
495   MemorySSAWalker *MSSAWalker;
496   const DataLayout &DL;
497   std::unique_ptr<PredicateInfo> PredInfo;
498
499   // These are the only two things the create* functions should have
500   // side-effects on due to allocating memory.
501   mutable BumpPtrAllocator ExpressionAllocator;
502   mutable ArrayRecycler<Value *> ArgRecycler;
503   mutable TarjanSCC SCCFinder;
504   const SimplifyQuery SQ;
505
506   // Number of function arguments, used by ranking
507   unsigned int NumFuncArgs;
508
509   // RPOOrdering of basic blocks
510   DenseMap<const DomTreeNode *, unsigned> RPOOrdering;
511
512   // Congruence class info.
513
514   // This class is called INITIAL in the paper. It is the class everything
515   // startsout in, and represents any value. Being an optimistic analysis,
516   // anything in the TOP class has the value TOP, which is indeterminate and
517   // equivalent to everything.
518   CongruenceClass *TOPClass;
519   std::vector<CongruenceClass *> CongruenceClasses;
520   unsigned NextCongruenceNum;
521
522   // Value Mappings.
523   DenseMap<Value *, CongruenceClass *> ValueToClass;
524   DenseMap<Value *, const Expression *> ValueToExpression;
525
526   // Value PHI handling, used to make equivalence between phi(op, op) and
527   // op(phi, phi).
528   // These mappings just store various data that would normally be part of the
529   // IR.
530   SmallPtrSet<const Instruction *, 8> PHINodeUses;
531
532   DenseMap<const Value *, bool> OpSafeForPHIOfOps;
533
534   // Map a temporary instruction we created to a parent block.
535   DenseMap<const Value *, BasicBlock *> TempToBlock;
536
537   // Map between the already in-program instructions and the temporary phis we
538   // created that they are known equivalent to.
539   DenseMap<const Value *, PHINode *> RealToTemp;
540
541   // In order to know when we should re-process instructions that have
542   // phi-of-ops, we track the set of expressions that they needed as
543   // leaders. When we discover new leaders for those expressions, we process the
544   // associated phi-of-op instructions again in case they have changed.  The
545   // other way they may change is if they had leaders, and those leaders
546   // disappear.  However, at the point they have leaders, there are uses of the
547   // relevant operands in the created phi node, and so they will get reprocessed
548   // through the normal user marking we perform.
549   mutable DenseMap<const Value *, SmallPtrSet<Value *, 2>> AdditionalUsers;
550   DenseMap<const Expression *, SmallPtrSet<Instruction *, 2>>
551       ExpressionToPhiOfOps;
552
553   // Map from temporary operation to MemoryAccess.
554   DenseMap<const Instruction *, MemoryUseOrDef *> TempToMemory;
555
556   // Set of all temporary instructions we created.
557   // Note: This will include instructions that were just created during value
558   // numbering.  The way to test if something is using them is to check
559   // RealToTemp.
560   DenseSet<Instruction *> AllTempInstructions;
561
562   // This is the set of instructions to revisit on a reachability change.  At
563   // the end of the main iteration loop it will contain at least all the phi of
564   // ops instructions that will be changed to phis, as well as regular phis.
565   // During the iteration loop, it may contain other things, such as phi of ops
566   // instructions that used edge reachability to reach a result, and so need to
567   // be revisited when the edge changes, independent of whether the phi they
568   // depended on changes.
569   DenseMap<BasicBlock *, SparseBitVector<>> RevisitOnReachabilityChange;
570
571   // Mapping from predicate info we used to the instructions we used it with.
572   // In order to correctly ensure propagation, we must keep track of what
573   // comparisons we used, so that when the values of the comparisons change, we
574   // propagate the information to the places we used the comparison.
575   mutable DenseMap<const Value *, SmallPtrSet<Instruction *, 2>>
576       PredicateToUsers;
577
578   // the same reasoning as PredicateToUsers.  When we skip MemoryAccesses for
579   // stores, we no longer can rely solely on the def-use chains of MemorySSA.
580   mutable DenseMap<const MemoryAccess *, SmallPtrSet<MemoryAccess *, 2>>
581       MemoryToUsers;
582
583   // A table storing which memorydefs/phis represent a memory state provably
584   // equivalent to another memory state.
585   // We could use the congruence class machinery, but the MemoryAccess's are
586   // abstract memory states, so they can only ever be equivalent to each other,
587   // and not to constants, etc.
588   DenseMap<const MemoryAccess *, CongruenceClass *> MemoryAccessToClass;
589
590   // We could, if we wanted, build MemoryPhiExpressions and
591   // MemoryVariableExpressions, etc, and value number them the same way we value
592   // number phi expressions.  For the moment, this seems like overkill.  They
593   // can only exist in one of three states: they can be TOP (equal to
594   // everything), Equivalent to something else, or unique.  Because we do not
595   // create expressions for them, we need to simulate leader change not just
596   // when they change class, but when they change state.  Note: We can do the
597   // same thing for phis, and avoid having phi expressions if we wanted, We
598   // should eventually unify in one direction or the other, so this is a little
599   // bit of an experiment in which turns out easier to maintain.
600   enum MemoryPhiState { MPS_Invalid, MPS_TOP, MPS_Equivalent, MPS_Unique };
601   DenseMap<const MemoryPhi *, MemoryPhiState> MemoryPhiState;
602
603   enum InstCycleState { ICS_Unknown, ICS_CycleFree, ICS_Cycle };
604   mutable DenseMap<const Instruction *, InstCycleState> InstCycleState;
605
606   // Expression to class mapping.
607   using ExpressionClassMap = DenseMap<const Expression *, CongruenceClass *>;
608   ExpressionClassMap ExpressionToClass;
609
610   // We have a single expression that represents currently DeadExpressions.
611   // For dead expressions we can prove will stay dead, we mark them with
612   // DFS number zero.  However, it's possible in the case of phi nodes
613   // for us to assume/prove all arguments are dead during fixpointing.
614   // We use DeadExpression for that case.
615   DeadExpression *SingletonDeadExpression = nullptr;
616
617   // Which values have changed as a result of leader changes.
618   SmallPtrSet<Value *, 8> LeaderChanges;
619
620   // Reachability info.
621   using BlockEdge = BasicBlockEdge;
622   DenseSet<BlockEdge> ReachableEdges;
623   SmallPtrSet<const BasicBlock *, 8> ReachableBlocks;
624
625   // This is a bitvector because, on larger functions, we may have
626   // thousands of touched instructions at once (entire blocks,
627   // instructions with hundreds of uses, etc).  Even with optimization
628   // for when we mark whole blocks as touched, when this was a
629   // SmallPtrSet or DenseSet, for some functions, we spent >20% of all
630   // the time in GVN just managing this list.  The bitvector, on the
631   // other hand, efficiently supports test/set/clear of both
632   // individual and ranges, as well as "find next element" This
633   // enables us to use it as a worklist with essentially 0 cost.
634   BitVector TouchedInstructions;
635
636   DenseMap<const BasicBlock *, std::pair<unsigned, unsigned>> BlockInstRange;
637
638 #ifndef NDEBUG
639   // Debugging for how many times each block and instruction got processed.
640   DenseMap<const Value *, unsigned> ProcessedCount;
641 #endif
642
643   // DFS info.
644   // This contains a mapping from Instructions to DFS numbers.
645   // The numbering starts at 1. An instruction with DFS number zero
646   // means that the instruction is dead.
647   DenseMap<const Value *, unsigned> InstrDFS;
648
649   // This contains the mapping DFS numbers to instructions.
650   SmallVector<Value *, 32> DFSToInstr;
651
652   // Deletion info.
653   SmallPtrSet<Instruction *, 8> InstructionsToErase;
654
655 public:
656   NewGVN(Function &F, DominatorTree *DT, AssumptionCache *AC,
657          TargetLibraryInfo *TLI, AliasAnalysis *AA, MemorySSA *MSSA,
658          const DataLayout &DL)
659       : F(F), DT(DT), TLI(TLI), AA(AA), MSSA(MSSA), DL(DL),
660         PredInfo(make_unique<PredicateInfo>(F, *DT, *AC)),
661         SQ(DL, TLI, DT, AC, /*CtxI=*/nullptr, /*UseInstrInfo=*/false) {}
662
663   bool runGVN();
664
665 private:
666   // Expression handling.
667   const Expression *createExpression(Instruction *) const;
668   const Expression *createBinaryExpression(unsigned, Type *, Value *, Value *,
669                                            Instruction *) const;
670
671   // Our canonical form for phi arguments is a pair of incoming value, incoming
672   // basic block.
673   using ValPair = std::pair<Value *, BasicBlock *>;
674
675   PHIExpression *createPHIExpression(ArrayRef<ValPair>, const Instruction *,
676                                      BasicBlock *, bool &HasBackEdge,
677                                      bool &OriginalOpsConstant) const;
678   const DeadExpression *createDeadExpression() const;
679   const VariableExpression *createVariableExpression(Value *) const;
680   const ConstantExpression *createConstantExpression(Constant *) const;
681   const Expression *createVariableOrConstant(Value *V) const;
682   const UnknownExpression *createUnknownExpression(Instruction *) const;
683   const StoreExpression *createStoreExpression(StoreInst *,
684                                                const MemoryAccess *) const;
685   LoadExpression *createLoadExpression(Type *, Value *, LoadInst *,
686                                        const MemoryAccess *) const;
687   const CallExpression *createCallExpression(CallInst *,
688                                              const MemoryAccess *) const;
689   const AggregateValueExpression *
690   createAggregateValueExpression(Instruction *) const;
691   bool setBasicExpressionInfo(Instruction *, BasicExpression *) const;
692
693   // Congruence class handling.
694   CongruenceClass *createCongruenceClass(Value *Leader, const Expression *E) {
695     auto *result = new CongruenceClass(NextCongruenceNum++, Leader, E);
696     CongruenceClasses.emplace_back(result);
697     return result;
698   }
699
700   CongruenceClass *createMemoryClass(MemoryAccess *MA) {
701     auto *CC = createCongruenceClass(nullptr, nullptr);
702     CC->setMemoryLeader(MA);
703     return CC;
704   }
705
706   CongruenceClass *ensureLeaderOfMemoryClass(MemoryAccess *MA) {
707     auto *CC = getMemoryClass(MA);
708     if (CC->getMemoryLeader() != MA)
709       CC = createMemoryClass(MA);
710     return CC;
711   }
712
713   CongruenceClass *createSingletonCongruenceClass(Value *Member) {
714     CongruenceClass *CClass = createCongruenceClass(Member, nullptr);
715     CClass->insert(Member);
716     ValueToClass[Member] = CClass;
717     return CClass;
718   }
719
720   void initializeCongruenceClasses(Function &F);
721   const Expression *makePossiblePHIOfOps(Instruction *,
722                                          SmallPtrSetImpl<Value *> &);
723   Value *findLeaderForInst(Instruction *ValueOp,
724                            SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited,
725                            MemoryAccess *MemAccess, Instruction *OrigInst,
726                            BasicBlock *PredBB);
727   bool OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(Value *V, const BasicBlock *PHIBlock,
728                                  SmallPtrSetImpl<const Value *> &Visited,
729                                  SmallVectorImpl<Instruction *> &Worklist);
730   bool OpIsSafeForPHIOfOps(Value *Op, const BasicBlock *PHIBlock,
731                            SmallPtrSetImpl<const Value *> &);
732   void addPhiOfOps(PHINode *Op, BasicBlock *BB, Instruction *ExistingValue);
733   void removePhiOfOps(Instruction *I, PHINode *PHITemp);
734
735   // Value number an Instruction or MemoryPhi.
736   void valueNumberMemoryPhi(MemoryPhi *);
737   void valueNumberInstruction(Instruction *);
738
739   // Symbolic evaluation.
740   const Expression *checkSimplificationResults(Expression *, Instruction *,
741                                                Value *) const;
742   const Expression *performSymbolicEvaluation(Value *,
743                                               SmallPtrSetImpl<Value *> &) const;
744   const Expression *performSymbolicLoadCoercion(Type *, Value *, LoadInst *,
745                                                 Instruction *,
746                                                 MemoryAccess *) const;
747   const Expression *performSymbolicLoadEvaluation(Instruction *) const;
748   const Expression *performSymbolicStoreEvaluation(Instruction *) const;
749   const Expression *performSymbolicCallEvaluation(Instruction *) const;
750   void sortPHIOps(MutableArrayRef<ValPair> Ops) const;
751   const Expression *performSymbolicPHIEvaluation(ArrayRef<ValPair>,
752                                                  Instruction *I,
753                                                  BasicBlock *PHIBlock) const;
754   const Expression *performSymbolicAggrValueEvaluation(Instruction *) const;
755   const Expression *performSymbolicCmpEvaluation(Instruction *) const;
756   const Expression *performSymbolicPredicateInfoEvaluation(Instruction *) const;
757
758   // Congruence finding.
759   bool someEquivalentDominates(const Instruction *, const Instruction *) const;
760   Value *lookupOperandLeader(Value *) const;
761   CongruenceClass *getClassForExpression(const Expression *E) const;
762   void performCongruenceFinding(Instruction *, const Expression *);
763   void moveValueToNewCongruenceClass(Instruction *, const Expression *,
764                                      CongruenceClass *, CongruenceClass *);
765   void moveMemoryToNewCongruenceClass(Instruction *, MemoryAccess *,
766                                       CongruenceClass *, CongruenceClass *);
767   Value *getNextValueLeader(CongruenceClass *) const;
768   const MemoryAccess *getNextMemoryLeader(CongruenceClass *) const;
769   bool setMemoryClass(const MemoryAccess *From, CongruenceClass *To);
770   CongruenceClass *getMemoryClass(const MemoryAccess *MA) const;
771   const MemoryAccess *lookupMemoryLeader(const MemoryAccess *) const;
772   bool isMemoryAccessTOP(const MemoryAccess *) const;
773
774   // Ranking
775   unsigned int getRank(const Value *) const;
776   bool shouldSwapOperands(const Value *, const Value *) const;
777
778   // Reachability handling.
779   void updateReachableEdge(BasicBlock *, BasicBlock *);
780   void processOutgoingEdges(Instruction *, BasicBlock *);
781   Value *findConditionEquivalence(Value *) const;
782
783   // Elimination.
784   struct ValueDFS;
785   void convertClassToDFSOrdered(const CongruenceClass &,
786                                 SmallVectorImpl<ValueDFS> &,
787                                 DenseMap<const Value *, unsigned int> &,
788                                 SmallPtrSetImpl<Instruction *> &) const;
789   void convertClassToLoadsAndStores(const CongruenceClass &,
790                                     SmallVectorImpl<ValueDFS> &) const;
791
792   bool eliminateInstructions(Function &);
793   void replaceInstruction(Instruction *, Value *);
794   void markInstructionForDeletion(Instruction *);
795   void deleteInstructionsInBlock(BasicBlock *);
796   Value *findPHIOfOpsLeader(const Expression *, const Instruction *,
797                             const BasicBlock *) const;
798
799   // New instruction creation.
800   void handleNewInstruction(Instruction *) {}
801
802   // Various instruction touch utilities
803   template <typename Map, typename KeyType, typename Func>
804   void for_each_found(Map &, const KeyType &, Func);
805   template <typename Map, typename KeyType>
806   void touchAndErase(Map &, const KeyType &);
807   void markUsersTouched(Value *);
808   void markMemoryUsersTouched(const MemoryAccess *);
809   void markMemoryDefTouched(const MemoryAccess *);
810   void markPredicateUsersTouched(Instruction *);
811   void markValueLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC);
812   void markMemoryLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC);
813   void markPhiOfOpsChanged(const Expression *E);
814   void addPredicateUsers(const PredicateBase *, Instruction *) const;
815   void addMemoryUsers(const MemoryAccess *To, MemoryAccess *U) const;
816   void addAdditionalUsers(Value *To, Value *User) const;
817
818   // Main loop of value numbering
819   void iterateTouchedInstructions();
820
821   // Utilities.
822   void cleanupTables();
823   std::pair<unsigned, unsigned> assignDFSNumbers(BasicBlock *, unsigned);
824   void updateProcessedCount(const Value *V);
825   void verifyMemoryCongruency() const;
826   void verifyIterationSettled(Function &F);
827   void verifyStoreExpressions() const;
828   bool singleReachablePHIPath(SmallPtrSet<const MemoryAccess *, 8> &,
829                               const MemoryAccess *, const MemoryAccess *) const;
830   BasicBlock *getBlockForValue(Value *V) const;
831   void deleteExpression(const Expression *E) const;
832   MemoryUseOrDef *getMemoryAccess(const Instruction *) const;
833   MemoryAccess *getDefiningAccess(const MemoryAccess *) const;
834   MemoryPhi *getMemoryAccess(const BasicBlock *) const;
835   template <class T, class Range> T *getMinDFSOfRange(const Range &) const;
836
837   unsigned InstrToDFSNum(const Value *V) const {
838     assert(isa<Instruction>(V) && "This should not be used for MemoryAccesses");
839     return InstrDFS.lookup(V);
840   }
841
842   unsigned InstrToDFSNum(const MemoryAccess *MA) const {
843     return MemoryToDFSNum(MA);
844   }
845
846   Value *InstrFromDFSNum(unsigned DFSNum) { return DFSToInstr[DFSNum]; }
847
848   // Given a MemoryAccess, return the relevant instruction DFS number.  Note:
849   // This deliberately takes a value so it can be used with Use's, which will
850   // auto-convert to Value's but not to MemoryAccess's.
851   unsigned MemoryToDFSNum(const Value *MA) const {
852     assert(isa<MemoryAccess>(MA) &&
853            "This should not be used with instructions");
854     return isa<MemoryUseOrDef>(MA)
855                ? InstrToDFSNum(cast<MemoryUseOrDef>(MA)->getMemoryInst())
856                : InstrDFS.lookup(MA);
857   }
858
859   bool isCycleFree(const Instruction *) const;
860   bool isBackedge(BasicBlock *From, BasicBlock *To) const;
861
862   // Debug counter info.  When verifying, we have to reset the value numbering
863   // debug counter to the same state it started in to get the same results.
864   int64_t StartingVNCounter;
865 };
866
867 } // end anonymous namespace
868
869 template <typename T>
870 static bool equalsLoadStoreHelper(const T &LHS, const Expression &RHS) {
871   if (!isa<LoadExpression>(RHS) && !isa<StoreExpression>(RHS))
872     return false;
873   return LHS.MemoryExpression::equals(RHS);
874 }
875
876 bool LoadExpression::equals(const Expression &Other) const {
877   return equalsLoadStoreHelper(*this, Other);
878 }
879
880 bool StoreExpression::equals(const Expression &Other) const {
881   if (!equalsLoadStoreHelper(*this, Other))
882     return false;
883   // Make sure that store vs store includes the value operand.
884   if (const auto *S = dyn_cast<StoreExpression>(&Other))
885     if (getStoredValue() != S->getStoredValue())
886       return false;
887   return true;
888 }
889
890 // Determine if the edge From->To is a backedge
891 bool NewGVN::isBackedge(BasicBlock *From, BasicBlock *To) const {
892   return From == To ||
893          RPOOrdering.lookup(DT->getNode(From)) >=
894              RPOOrdering.lookup(DT->getNode(To));
895 }
896
897 #ifndef NDEBUG
898 static std::string getBlockName(const BasicBlock *B) {
899   return DOTGraphTraits<const Function *>::getSimpleNodeLabel(B, nullptr);
900 }
901 #endif
902
903 // Get a MemoryAccess for an instruction, fake or real.
904 MemoryUseOrDef *NewGVN::getMemoryAccess(const Instruction *I) const {
905   auto *Result = MSSA->getMemoryAccess(I);
906   return Result ? Result : TempToMemory.lookup(I);
907 }
908
909 // Get a MemoryPhi for a basic block. These are all real.
910 MemoryPhi *NewGVN::getMemoryAccess(const BasicBlock *BB) const {
911   return MSSA->getMemoryAccess(BB);
912 }
913
914 // Get the basic block from an instruction/memory value.
915 BasicBlock *NewGVN::getBlockForValue(Value *V) const {
916   if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
917     auto *Parent = I->getParent();
918     if (Parent)
919       return Parent;
920     Parent = TempToBlock.lookup(V);
921     assert(Parent && "Every fake instruction should have a block");
922     return Parent;
923   }
924
925   auto *MP = dyn_cast<MemoryPhi>(V);
926   assert(MP && "Should have been an instruction or a MemoryPhi");
927   return MP->getBlock();
928 }
929
930 // Delete a definitely dead expression, so it can be reused by the expression
931 // allocator.  Some of these are not in creation functions, so we have to accept
932 // const versions.
933 void NewGVN::deleteExpression(const Expression *E) const {
934   assert(isa<BasicExpression>(E));
935   auto *BE = cast<BasicExpression>(E);
936   const_cast<BasicExpression *>(BE)->deallocateOperands(ArgRecycler);
937   ExpressionAllocator.Deallocate(E);
938 }
939
940 // If V is a predicateinfo copy, get the thing it is a copy of.
941 static Value *getCopyOf(const Value *V) {
942   if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(V))
943     if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::ssa_copy)
944       return II->getOperand(0);
945   return nullptr;
946 }
947
948 // Return true if V is really PN, even accounting for predicateinfo copies.
949 static bool isCopyOfPHI(const Value *V, const PHINode *PN) {
950   return V == PN || getCopyOf(V) == PN;
951 }
952
953 static bool isCopyOfAPHI(const Value *V) {
954   auto *CO = getCopyOf(V);
955   return CO && isa<PHINode>(CO);
956 }
957
958 // Sort PHI Operands into a canonical order.  What we use here is an RPO
959 // order. The BlockInstRange numbers are generated in an RPO walk of the basic
960 // blocks.
961 void NewGVN::sortPHIOps(MutableArrayRef<ValPair> Ops) const {
962   llvm::sort(Ops, [&](const ValPair &P1, const ValPair &P2) {
963     return BlockInstRange.lookup(P1.second).first <
964            BlockInstRange.lookup(P2.second).first;
965   });
966 }
967
968 // Return true if V is a value that will always be available (IE can
969 // be placed anywhere) in the function.  We don't do globals here
970 // because they are often worse to put in place.
971 static bool alwaysAvailable(Value *V) {
972   return isa<Constant>(V) || isa<Argument>(V);
973 }
974
975 // Create a PHIExpression from an array of {incoming edge, value} pairs.  I is
976 // the original instruction we are creating a PHIExpression for (but may not be
977 // a phi node). We require, as an invariant, that all the PHIOperands in the
978 // same block are sorted the same way. sortPHIOps will sort them into a
979 // canonical order.
980 PHIExpression *NewGVN::createPHIExpression(ArrayRef<ValPair> PHIOperands,
981                                            const Instruction *I,
982                                            BasicBlock *PHIBlock,
983                                            bool &HasBackedge,
984                                            bool &OriginalOpsConstant) const {
985   unsigned NumOps = PHIOperands.size();
986   auto *E = new (ExpressionAllocator) PHIExpression(NumOps, PHIBlock);
987
988   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
989   E->setType(PHIOperands.begin()->first->getType());
990   E->setOpcode(Instruction::PHI);
991
992   // Filter out unreachable phi operands.
993   auto Filtered = make_filter_range(PHIOperands, [&](const ValPair &P) {
994     auto *BB = P.second;
995     if (auto *PHIOp = dyn_cast<PHINode>(I))
996       if (isCopyOfPHI(P.first, PHIOp))
997         return false;
998     if (!ReachableEdges.count({BB, PHIBlock}))
999       return false;
1000     // Things in TOPClass are equivalent to everything.
1001     if (ValueToClass.lookup(P.first) == TOPClass)
1002       return false;
1003     OriginalOpsConstant = OriginalOpsConstant && isa<Constant>(P.first);
1004     HasBackedge = HasBackedge || isBackedge(BB, PHIBlock);
1005     return lookupOperandLeader(P.first) != I;
1006   });
1007   std::transform(Filtered.begin(), Filtered.end(), op_inserter(E),
1008                  [&](const ValPair &P) -> Value * {
1009                    return lookupOperandLeader(P.first);
1010                  });
1011   return E;
1012 }
1013
1014 // Set basic expression info (Arguments, type, opcode) for Expression
1015 // E from Instruction I in block B.
1016 bool NewGVN::setBasicExpressionInfo(Instruction *I, BasicExpression *E) const {
1017   bool AllConstant = true;
1018   if (auto *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I))
1019     E->setType(GEP->getSourceElementType());
1020   else
1021     E->setType(I->getType());
1022   E->setOpcode(I->getOpcode());
1023   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1024
1025   // Transform the operand array into an operand leader array, and keep track of
1026   // whether all members are constant.
1027   std::transform(I->op_begin(), I->op_end(), op_inserter(E), [&](Value *O) {
1028     auto Operand = lookupOperandLeader(O);
1029     AllConstant = AllConstant && isa<Constant>(Operand);
1030     return Operand;
1031   });
1032
1033   return AllConstant;
1034 }
1035
1036 const Expression *NewGVN::createBinaryExpression(unsigned Opcode, Type *T,
1037                                                  Value *Arg1, Value *Arg2,
1038                                                  Instruction *I) const {
1039   auto *E = new (ExpressionAllocator) BasicExpression(2);
1040
1041   E->setType(T);
1042   E->setOpcode(Opcode);
1043   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1044   if (Instruction::isCommutative(Opcode)) {
1045     // Ensure that commutative instructions that only differ by a permutation
1046     // of their operands get the same value number by sorting the operand value
1047     // numbers.  Since all commutative instructions have two operands it is more
1048     // efficient to sort by hand rather than using, say, std::sort.
1049     if (shouldSwapOperands(Arg1, Arg2))
1050       std::swap(Arg1, Arg2);
1051   }
1052   E->op_push_back(lookupOperandLeader(Arg1));
1053   E->op_push_back(lookupOperandLeader(Arg2));
1054
1055   Value *V = SimplifyBinOp(Opcode, E->getOperand(0), E->getOperand(1), SQ);
1056   if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1057     return SimplifiedE;
1058   return E;
1059 }
1060
1061 // Take a Value returned by simplification of Expression E/Instruction
1062 // I, and see if it resulted in a simpler expression. If so, return
1063 // that expression.
1064 const Expression *NewGVN::checkSimplificationResults(Expression *E,
1065                                                      Instruction *I,
1066                                                      Value *V) const {
1067   if (!V)
1068     return nullptr;
1069   if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
1070     if (I)
1071       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Simplified " << *I << " to "
1072                         << " constant " << *C << "\n");
1073     NumGVNOpsSimplified++;
1074     assert(isa<BasicExpression>(E) &&
1075            "We should always have had a basic expression here");
1076     deleteExpression(E);
1077     return createConstantExpression(C);
1078   } else if (isa<Argument>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) {
1079     if (I)
1080       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Simplified " << *I << " to "
1081                         << " variable " << *V << "\n");
1082     deleteExpression(E);
1083     return createVariableExpression(V);
1084   }
1085
1086   CongruenceClass *CC = ValueToClass.lookup(V);
1087   if (CC) {
1088     if (CC->getLeader() && CC->getLeader() != I) {
1089       // If we simplified to something else, we need to communicate
1090       // that we're users of the value we simplified to.
1091       if (I != V) {
1092         // Don't add temporary instructions to the user lists.
1093         if (!AllTempInstructions.count(I))
1094           addAdditionalUsers(V, I);
1095       }
1096       return createVariableOrConstant(CC->getLeader());
1097     }
1098     if (CC->getDefiningExpr()) {
1099       // If we simplified to something else, we need to communicate
1100       // that we're users of the value we simplified to.
1101       if (I != V) {
1102         // Don't add temporary instructions to the user lists.
1103         if (!AllTempInstructions.count(I))
1104           addAdditionalUsers(V, I);
1105       }
1106
1107       if (I)
1108         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Simplified " << *I << " to "
1109                           << " expression " << *CC->getDefiningExpr() << "\n");
1110       NumGVNOpsSimplified++;
1111       deleteExpression(E);
1112       return CC->getDefiningExpr();
1113     }
1114   }
1115
1116   return nullptr;
1117 }
1118
1119 // Create a value expression from the instruction I, replacing operands with
1120 // their leaders.
1121
1122 const Expression *NewGVN::createExpression(Instruction *I) const {
1123   auto *E = new (ExpressionAllocator) BasicExpression(I->getNumOperands());
1124
1125   bool AllConstant = setBasicExpressionInfo(I, E);
1126
1127   if (I->isCommutative()) {
1128     // Ensure that commutative instructions that only differ by a permutation
1129     // of their operands get the same value number by sorting the operand value
1130     // numbers.  Since all commutative instructions have two operands it is more
1131     // efficient to sort by hand rather than using, say, std::sort.
1132     assert(I->getNumOperands() == 2 && "Unsupported commutative instruction!");
1133     if (shouldSwapOperands(E->getOperand(0), E->getOperand(1)))
1134       E->swapOperands(0, 1);
1135   }
1136   // Perform simplification.
1137   if (auto *CI = dyn_cast<CmpInst>(I)) {
1138     // Sort the operand value numbers so x<y and y>x get the same value
1139     // number.
1140     CmpInst::Predicate Predicate = CI->getPredicate();
1141     if (shouldSwapOperands(E->getOperand(0), E->getOperand(1))) {
1142       E->swapOperands(0, 1);
1143       Predicate = CmpInst::getSwappedPredicate(Predicate);
1144     }
1145     E->setOpcode((CI->getOpcode() << 8) | Predicate);
1146     // TODO: 25% of our time is spent in SimplifyCmpInst with pointer operands
1147     assert(I->getOperand(0)->getType() == I->getOperand(1)->getType() &&
1148            "Wrong types on cmp instruction");
1149     assert((E->getOperand(0)->getType() == I->getOperand(0)->getType() &&
1150             E->getOperand(1)->getType() == I->getOperand(1)->getType()));
1151     Value *V =
1152         SimplifyCmpInst(Predicate, E->getOperand(0), E->getOperand(1), SQ);
1153     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1154       return SimplifiedE;
1155   } else if (isa<SelectInst>(I)) {
1156     if (isa<Constant>(E->getOperand(0)) ||
1157         E->getOperand(1) == E->getOperand(2)) {
1158       assert(E->getOperand(1)->getType() == I->getOperand(1)->getType() &&
1159              E->getOperand(2)->getType() == I->getOperand(2)->getType());
1160       Value *V = SimplifySelectInst(E->getOperand(0), E->getOperand(1),
1161                                     E->getOperand(2), SQ);
1162       if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1163         return SimplifiedE;
1164     }
1165   } else if (I->isBinaryOp()) {
1166     Value *V =
1167         SimplifyBinOp(E->getOpcode(), E->getOperand(0), E->getOperand(1), SQ);
1168     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1169       return SimplifiedE;
1170   } else if (auto *BI = dyn_cast<BitCastInst>(I)) {
1171     Value *V =
1172         SimplifyCastInst(BI->getOpcode(), BI->getOperand(0), BI->getType(), SQ);
1173     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1174       return SimplifiedE;
1175   } else if (isa<GetElementPtrInst>(I)) {
1176     Value *V = SimplifyGEPInst(
1177         E->getType(), ArrayRef<Value *>(E->op_begin(), E->op_end()), SQ);
1178     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1179       return SimplifiedE;
1180   } else if (AllConstant) {
1181     // We don't bother trying to simplify unless all of the operands
1182     // were constant.
1183     // TODO: There are a lot of Simplify*'s we could call here, if we
1184     // wanted to.  The original motivating case for this code was a
1185     // zext i1 false to i8, which we don't have an interface to
1186     // simplify (IE there is no SimplifyZExt).
1187
1188     SmallVector<Constant *, 8> C;
1189     for (Value *Arg : E->operands())
1190       C.emplace_back(cast<Constant>(Arg));
1191
1192     if (Value *V = ConstantFoldInstOperands(I, C, DL, TLI))
1193       if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1194         return SimplifiedE;
1195   }
1196   return E;
1197 }
1198
1199 const AggregateValueExpression *
1200 NewGVN::createAggregateValueExpression(Instruction *I) const {
1201   if (auto *II = dyn_cast<InsertValueInst>(I)) {
1202     auto *E = new (ExpressionAllocator)
1203         AggregateValueExpression(I->getNumOperands(), II->getNumIndices());
1204     setBasicExpressionInfo(I, E);
1205     E->allocateIntOperands(ExpressionAllocator);
1206     std::copy(II->idx_begin(), II->idx_end(), int_op_inserter(E));
1207     return E;
1208   } else if (auto *EI = dyn_cast<ExtractValueInst>(I)) {
1209     auto *E = new (ExpressionAllocator)
1210         AggregateValueExpression(I->getNumOperands(), EI->getNumIndices());
1211     setBasicExpressionInfo(EI, E);
1212     E->allocateIntOperands(ExpressionAllocator);
1213     std::copy(EI->idx_begin(), EI->idx_end(), int_op_inserter(E));
1214     return E;
1215   }
1216   llvm_unreachable("Unhandled type of aggregate value operation");
1217 }
1218
1219 const DeadExpression *NewGVN::createDeadExpression() const {
1220   // DeadExpression has no arguments and all DeadExpression's are the same,
1221   // so we only need one of them.
1222   return SingletonDeadExpression;
1223 }
1224
1225 const VariableExpression *NewGVN::createVariableExpression(Value *V) const {
1226   auto *E = new (ExpressionAllocator) VariableExpression(V);
1227   E->setOpcode(V->getValueID());
1228   return E;
1229 }
1230
1231 const Expression *NewGVN::createVariableOrConstant(Value *V) const {
1232   if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V))
1233     return createConstantExpression(C);
1234   return createVariableExpression(V);
1235 }
1236
1237 const ConstantExpression *NewGVN::createConstantExpression(Constant *C) const {
1238   auto *E = new (ExpressionAllocator) ConstantExpression(C);
1239   E->setOpcode(C->getValueID());
1240   return E;
1241 }
1242
1243 const UnknownExpression *NewGVN::createUnknownExpression(Instruction *I) const {
1244   auto *E = new (ExpressionAllocator) UnknownExpression(I);
1245   E->setOpcode(I->getOpcode());
1246   return E;
1247 }
1248
1249 const CallExpression *
1250 NewGVN::createCallExpression(CallInst *CI, const MemoryAccess *MA) const {
1251   // FIXME: Add operand bundles for calls.
1252   auto *E =
1253       new (ExpressionAllocator) CallExpression(CI->getNumOperands(), CI, MA);
1254   setBasicExpressionInfo(CI, E);
1255   return E;
1256 }
1257
1258 // Return true if some equivalent of instruction Inst dominates instruction U.
1259 bool NewGVN::someEquivalentDominates(const Instruction *Inst,
1260                                      const Instruction *U) const {
1261   auto *CC = ValueToClass.lookup(Inst);
1262    // This must be an instruction because we are only called from phi nodes
1263   // in the case that the value it needs to check against is an instruction.
1264
1265   // The most likely candidates for dominance are the leader and the next leader.
1266   // The leader or nextleader will dominate in all cases where there is an
1267   // equivalent that is higher up in the dom tree.
1268   // We can't *only* check them, however, because the
1269   // dominator tree could have an infinite number of non-dominating siblings
1270   // with instructions that are in the right congruence class.
1271   //       A
1272   // B C D E F G
1273   // |
1274   // H
1275   // Instruction U could be in H,  with equivalents in every other sibling.
1276   // Depending on the rpo order picked, the leader could be the equivalent in
1277   // any of these siblings.
1278   if (!CC)
1279     return false;
1280   if (alwaysAvailable(CC->getLeader()))
1281     return true;
1282   if (DT->dominates(cast<Instruction>(CC->getLeader()), U))
1283     return true;
1284   if (CC->getNextLeader().first &&
1285       DT->dominates(cast<Instruction>(CC->getNextLeader().first), U))
1286     return true;
1287   return llvm::any_of(*CC, [&](const Value *Member) {
1288     return Member != CC->getLeader() &&
1289            DT->dominates(cast<Instruction>(Member), U);
1290   });
1291 }
1292
1293 // See if we have a congruence class and leader for this operand, and if so,
1294 // return it. Otherwise, return the operand itself.
1295 Value *NewGVN::lookupOperandLeader(Value *V) const {
1296   CongruenceClass *CC = ValueToClass.lookup(V);
1297   if (CC) {
1298     // Everything in TOP is represented by undef, as it can be any value.
1299     // We do have to make sure we get the type right though, so we can't set the
1300     // RepLeader to undef.
1301     if (CC == TOPClass)
1302       return UndefValue::get(V->getType());
1303     return CC->getStoredValue() ? CC->getStoredValue() : CC->getLeader();
1304   }
1305
1306   return V;
1307 }
1308
1309 const MemoryAccess *NewGVN::lookupMemoryLeader(const MemoryAccess *MA) const {
1310   auto *CC = getMemoryClass(MA);
1311   assert(CC->getMemoryLeader() &&
1312          "Every MemoryAccess should be mapped to a congruence class with a "
1313          "representative memory access");
1314   return CC->getMemoryLeader();
1315 }
1316
1317 // Return true if the MemoryAccess is really equivalent to everything. This is
1318 // equivalent to the lattice value "TOP" in most lattices.  This is the initial
1319 // state of all MemoryAccesses.
1320 bool NewGVN::isMemoryAccessTOP(const MemoryAccess *MA) const {
1321   return getMemoryClass(MA) == TOPClass;
1322 }
1323
1324 LoadExpression *NewGVN::createLoadExpression(Type *LoadType, Value *PointerOp,
1325                                              LoadInst *LI,
1326                                              const MemoryAccess *MA) const {
1327   auto *E =
1328       new (ExpressionAllocator) LoadExpression(1, LI, lookupMemoryLeader(MA));
1329   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1330   E->setType(LoadType);
1331
1332   // Give store and loads same opcode so they value number together.
1333   E->setOpcode(0);
1334   E->op_push_back(PointerOp);
1335   if (LI)
1336     E->setAlignment(LI->getAlignment());
1337
1338   // TODO: Value number heap versions. We may be able to discover
1339   // things alias analysis can't on it's own (IE that a store and a
1340   // load have the same value, and thus, it isn't clobbering the load).
1341   return E;
1342 }
1343
1344 const StoreExpression *
1345 NewGVN::createStoreExpression(StoreInst *SI, const MemoryAccess *MA) const {
1346   auto *StoredValueLeader = lookupOperandLeader(SI->getValueOperand());
1347   auto *E = new (ExpressionAllocator)
1348       StoreExpression(SI->getNumOperands(), SI, StoredValueLeader, MA);
1349   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1350   E->setType(SI->getValueOperand()->getType());
1351
1352   // Give store and loads same opcode so they value number together.
1353   E->setOpcode(0);
1354   E->op_push_back(lookupOperandLeader(SI->getPointerOperand()));
1355
1356   // TODO: Value number heap versions. We may be able to discover
1357   // things alias analysis can't on it's own (IE that a store and a
1358   // load have the same value, and thus, it isn't clobbering the load).
1359   return E;
1360 }
1361
1362 const Expression *NewGVN::performSymbolicStoreEvaluation(Instruction *I) const {
1363   // Unlike loads, we never try to eliminate stores, so we do not check if they
1364   // are simple and avoid value numbering them.
1365   auto *SI = cast<StoreInst>(I);
1366   auto *StoreAccess = getMemoryAccess(SI);
1367   // Get the expression, if any, for the RHS of the MemoryDef.
1368   const MemoryAccess *StoreRHS = StoreAccess->getDefiningAccess();
1369   if (EnableStoreRefinement)
1370     StoreRHS = MSSAWalker->getClobberingMemoryAccess(StoreAccess);
1371   // If we bypassed the use-def chains, make sure we add a use.
1372   StoreRHS = lookupMemoryLeader(StoreRHS);
1373   if (StoreRHS != StoreAccess->getDefiningAccess())
1374     addMemoryUsers(StoreRHS, StoreAccess);
1375   // If we are defined by ourselves, use the live on entry def.
1376   if (StoreRHS == StoreAccess)
1377     StoreRHS = MSSA->getLiveOnEntryDef();
1378
1379   if (SI->isSimple()) {
1380     // See if we are defined by a previous store expression, it already has a
1381     // value, and it's the same value as our current store. FIXME: Right now, we
1382     // only do this for simple stores, we should expand to cover memcpys, etc.
1383     const auto *LastStore = createStoreExpression(SI, StoreRHS);
1384     const auto *LastCC = ExpressionToClass.lookup(LastStore);
1385     // We really want to check whether the expression we matched was a store. No
1386     // easy way to do that. However, we can check that the class we found has a
1387     // store, which, assuming the value numbering state is not corrupt, is
1388     // sufficient, because we must also be equivalent to that store's expression
1389     // for it to be in the same class as the load.
1390     if (LastCC && LastCC->getStoredValue() == LastStore->getStoredValue())
1391       return LastStore;
1392     // Also check if our value operand is defined by a load of the same memory
1393     // location, and the memory state is the same as it was then (otherwise, it
1394     // could have been overwritten later. See test32 in
1395     // transforms/DeadStoreElimination/simple.ll).
1396     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(LastStore->getStoredValue()))
1397       if ((lookupOperandLeader(LI->getPointerOperand()) ==
1398            LastStore->getOperand(0)) &&
1399           (lookupMemoryLeader(getMemoryAccess(LI)->getDefiningAccess()) ==
1400            StoreRHS))
1401         return LastStore;
1402     deleteExpression(LastStore);
1403   }
1404
1405   // If the store is not equivalent to anything, value number it as a store that
1406   // produces a unique memory state (instead of using it's MemoryUse, we use
1407   // it's MemoryDef).
1408   return createStoreExpression(SI, StoreAccess);
1409 }
1410
1411 // See if we can extract the value of a loaded pointer from a load, a store, or
1412 // a memory instruction.
1413 const Expression *
1414 NewGVN::performSymbolicLoadCoercion(Type *LoadType, Value *LoadPtr,
1415                                     LoadInst *LI, Instruction *DepInst,
1416                                     MemoryAccess *DefiningAccess) const {
1417   assert((!LI || LI->isSimple()) && "Not a simple load");
1418   if (auto *DepSI = dyn_cast<StoreInst>(DepInst)) {
1419     // Can't forward from non-atomic to atomic without violating memory model.
1420     // Also don't need to coerce if they are the same type, we will just
1421     // propagate.
1422     if (LI->isAtomic() > DepSI->isAtomic() ||
1423         LoadType == DepSI->getValueOperand()->getType())
1424       return nullptr;
1425     int Offset = analyzeLoadFromClobberingStore(LoadType, LoadPtr, DepSI, DL);
1426     if (Offset >= 0) {
1427       if (auto *C = dyn_cast<Constant>(
1428               lookupOperandLeader(DepSI->getValueOperand()))) {
1429         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Coercing load from store " << *DepSI
1430                           << " to constant " << *C << "\n");
1431         return createConstantExpression(
1432             getConstantStoreValueForLoad(C, Offset, LoadType, DL));
1433       }
1434     }
1435   } else if (auto *DepLI = dyn_cast<LoadInst>(DepInst)) {
1436     // Can't forward from non-atomic to atomic without violating memory model.
1437     if (LI->isAtomic() > DepLI->isAtomic())
1438       return nullptr;
1439     int Offset = analyzeLoadFromClobberingLoad(LoadType, LoadPtr, DepLI, DL);
1440     if (Offset >= 0) {
1441       // We can coerce a constant load into a load.
1442       if (auto *C = dyn_cast<Constant>(lookupOperandLeader(DepLI)))
1443         if (auto *PossibleConstant =
1444                 getConstantLoadValueForLoad(C, Offset, LoadType, DL)) {
1445           LLVM_DEBUG(dbgs() << "Coercing load from load " << *LI
1446                             << " to constant " << *PossibleConstant << "\n");
1447           return createConstantExpression(PossibleConstant);
1448         }
1449     }
1450   } else if (auto *DepMI = dyn_cast<MemIntrinsic>(DepInst)) {
1451     int Offset = analyzeLoadFromClobberingMemInst(LoadType, LoadPtr, DepMI, DL);
1452     if (Offset >= 0) {
1453       if (auto *PossibleConstant =
1454               getConstantMemInstValueForLoad(DepMI, Offset, LoadType, DL)) {
1455         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Coercing load from meminst " << *DepMI
1456                           << " to constant " << *PossibleConstant << "\n");
1457         return createConstantExpression(PossibleConstant);
1458       }
1459     }
1460   }
1461
1462   // All of the below are only true if the loaded pointer is produced
1463   // by the dependent instruction.
1464   if (LoadPtr != lookupOperandLeader(DepInst) &&
1465       !AA->isMustAlias(LoadPtr, DepInst))
1466     return nullptr;
1467   // If this load really doesn't depend on anything, then we must be loading an
1468   // undef value.  This can happen when loading for a fresh allocation with no
1469   // intervening stores, for example.  Note that this is only true in the case
1470   // that the result of the allocation is pointer equal to the load ptr.
1471   if (isa<AllocaInst>(DepInst) || isMallocLikeFn(DepInst, TLI)) {
1472     return createConstantExpression(UndefValue::get(LoadType));
1473   }
1474   // If this load occurs either right after a lifetime begin,
1475   // then the loaded value is undefined.
1476   else if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(DepInst)) {
1477     if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
1478       return createConstantExpression(UndefValue::get(LoadType));
1479   }
1480   // If this load follows a calloc (which zero initializes memory),
1481   // then the loaded value is zero
1482   else if (isCallocLikeFn(DepInst, TLI)) {
1483     return createConstantExpression(Constant::getNullValue(LoadType));
1484   }
1485
1486   return nullptr;
1487 }
1488
1489 const Expression *NewGVN::performSymbolicLoadEvaluation(Instruction *I) const {
1490   auto *LI = cast<LoadInst>(I);
1491
1492   // We can eliminate in favor of non-simple loads, but we won't be able to
1493   // eliminate the loads themselves.
1494   if (!LI->isSimple())
1495     return nullptr;
1496
1497   Value *LoadAddressLeader = lookupOperandLeader(LI->getPointerOperand());
1498   // Load of undef is undef.
1499   if (isa<UndefValue>(LoadAddressLeader))
1500     return createConstantExpression(UndefValue::get(LI->getType()));
1501   MemoryAccess *OriginalAccess = getMemoryAccess(I);
1502   MemoryAccess *DefiningAccess =
1503       MSSAWalker->getClobberingMemoryAccess(OriginalAccess);
1504
1505   if (!MSSA->isLiveOnEntryDef(DefiningAccess)) {
1506     if (auto *MD = dyn_cast<MemoryDef>(DefiningAccess)) {
1507       Instruction *DefiningInst = MD->getMemoryInst();
1508       // If the defining instruction is not reachable, replace with undef.
1509       if (!ReachableBlocks.count(DefiningInst->getParent()))
1510         return createConstantExpression(UndefValue::get(LI->getType()));
1511       // This will handle stores and memory insts.  We only do if it the
1512       // defining access has a different type, or it is a pointer produced by
1513       // certain memory operations that cause the memory to have a fixed value
1514       // (IE things like calloc).
1515       if (const auto *CoercionResult =
1516               performSymbolicLoadCoercion(LI->getType(), LoadAddressLeader, LI,
1517                                           DefiningInst, DefiningAccess))
1518         return CoercionResult;
1519     }
1520   }
1521
1522   const auto *LE = createLoadExpression(LI->getType(), LoadAddressLeader, LI,
1523                                         DefiningAccess);
1524   // If our MemoryLeader is not our defining access, add a use to the
1525   // MemoryLeader, so that we get reprocessed when it changes.
1526   if (LE->getMemoryLeader() != DefiningAccess)
1527     addMemoryUsers(LE->getMemoryLeader(), OriginalAccess);
1528   return LE;
1529 }
1530
1531 const Expression *
1532 NewGVN::performSymbolicPredicateInfoEvaluation(Instruction *I) const {
1533   auto *PI = PredInfo->getPredicateInfoFor(I);
1534   if (!PI)
1535     return nullptr;
1536
1537   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Found predicate info from instruction !\n");
1538
1539   auto *PWC = dyn_cast<PredicateWithCondition>(PI);
1540   if (!PWC)
1541     return nullptr;
1542
1543   auto *CopyOf = I->getOperand(0);
1544   auto *Cond = PWC->Condition;
1545
1546   // If this a copy of the condition, it must be either true or false depending
1547   // on the predicate info type and edge.
1548   if (CopyOf == Cond) {
1549     // We should not need to add predicate users because the predicate info is
1550     // already a use of this operand.
1551     if (isa<PredicateAssume>(PI))
1552       return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(Cond->getType()));
1553     if (auto *PBranch = dyn_cast<PredicateBranch>(PI)) {
1554       if (PBranch->TrueEdge)
1555         return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(Cond->getType()));
1556       return createConstantExpression(ConstantInt::getFalse(Cond->getType()));
1557     }
1558     if (auto *PSwitch = dyn_cast<PredicateSwitch>(PI))
1559       return createConstantExpression(cast<Constant>(PSwitch->CaseValue));
1560   }
1561
1562   // Not a copy of the condition, so see what the predicates tell us about this
1563   // value.  First, though, we check to make sure the value is actually a copy
1564   // of one of the condition operands. It's possible, in certain cases, for it
1565   // to be a copy of a predicateinfo copy. In particular, if two branch
1566   // operations use the same condition, and one branch dominates the other, we
1567   // will end up with a copy of a copy.  This is currently a small deficiency in
1568   // predicateinfo.  What will end up happening here is that we will value
1569   // number both copies the same anyway.
1570
1571   // Everything below relies on the condition being a comparison.
1572   auto *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(Cond);
1573   if (!Cmp)
1574     return nullptr;
1575
1576   if (CopyOf != Cmp->getOperand(0) && CopyOf != Cmp->getOperand(1)) {
1577     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Copy is not of any condition operands!\n");
1578     return nullptr;
1579   }
1580   Value *FirstOp = lookupOperandLeader(Cmp->getOperand(0));
1581   Value *SecondOp = lookupOperandLeader(Cmp->getOperand(1));
1582   bool SwappedOps = false;
1583   // Sort the ops.
1584   if (shouldSwapOperands(FirstOp, SecondOp)) {
1585     std::swap(FirstOp, SecondOp);
1586     SwappedOps = true;
1587   }
1588   CmpInst::Predicate Predicate =
1589       SwappedOps ? Cmp->getSwappedPredicate() : Cmp->getPredicate();
1590
1591   if (isa<PredicateAssume>(PI)) {
1592     // If we assume the operands are equal, then they are equal.
1593     if (Predicate == CmpInst::ICMP_EQ) {
1594       addPredicateUsers(PI, I);
1595       addAdditionalUsers(SwappedOps ? Cmp->getOperand(1) : Cmp->getOperand(0),
1596                          I);
1597       return createVariableOrConstant(FirstOp);
1598     }
1599   }
1600   if (const auto *PBranch = dyn_cast<PredicateBranch>(PI)) {
1601     // If we are *not* a copy of the comparison, we may equal to the other
1602     // operand when the predicate implies something about equality of
1603     // operations.  In particular, if the comparison is true/false when the
1604     // operands are equal, and we are on the right edge, we know this operation
1605     // is equal to something.
1606     if ((PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::ICMP_EQ) ||
1607         (!PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::ICMP_NE)) {
1608       addPredicateUsers(PI, I);
1609       addAdditionalUsers(SwappedOps ? Cmp->getOperand(1) : Cmp->getOperand(0),
1610                          I);
1611       return createVariableOrConstant(FirstOp);
1612     }
1613     // Handle the special case of floating point.
1614     if (((PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::FCMP_OEQ) ||
1615          (!PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::FCMP_UNE)) &&
1616         isa<ConstantFP>(FirstOp) && !cast<ConstantFP>(FirstOp)->isZero()) {
1617       addPredicateUsers(PI, I);
1618       addAdditionalUsers(SwappedOps ? Cmp->getOperand(1) : Cmp->getOperand(0),
1619                          I);
1620       return createConstantExpression(cast<Constant>(FirstOp));
1621     }
1622   }
1623   return nullptr;
1624 }
1625
1626 // Evaluate read only and pure calls, and create an expression result.
1627 const Expression *NewGVN::performSymbolicCallEvaluation(Instruction *I) const {
1628   auto *CI = cast<CallInst>(I);
1629   if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
1630     // Intrinsics with the returned attribute are copies of arguments.
1631     if (auto *ReturnedValue = II->getReturnedArgOperand()) {
1632       if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::ssa_copy)
1633         if (const auto *Result = performSymbolicPredicateInfoEvaluation(I))
1634           return Result;
1635       return createVariableOrConstant(ReturnedValue);
1636     }
1637   }
1638   if (AA->doesNotAccessMemory(CI)) {
1639     return createCallExpression(CI, TOPClass->getMemoryLeader());
1640   } else if (AA->onlyReadsMemory(CI)) {
1641     MemoryAccess *DefiningAccess = MSSAWalker->getClobberingMemoryAccess(CI);
1642     return createCallExpression(CI, DefiningAccess);
1643   }
1644   return nullptr;
1645 }
1646
1647 // Retrieve the memory class for a given MemoryAccess.
1648 CongruenceClass *NewGVN::getMemoryClass(const MemoryAccess *MA) const {
1649   auto *Result = MemoryAccessToClass.lookup(MA);
1650   assert(Result && "Should have found memory class");
1651   return Result;
1652 }
1653
1654 // Update the MemoryAccess equivalence table to say that From is equal to To,
1655 // and return true if this is different from what already existed in the table.
1656 bool NewGVN::setMemoryClass(const MemoryAccess *From,
1657                             CongruenceClass *NewClass) {
1658   assert(NewClass &&
1659          "Every MemoryAccess should be getting mapped to a non-null class");
1660   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Setting " << *From);
1661   LLVM_DEBUG(dbgs() << " equivalent to congruence class ");
1662   LLVM_DEBUG(dbgs() << NewClass->getID()
1663                     << " with current MemoryAccess leader ");
1664   LLVM_DEBUG(dbgs() << *NewClass->getMemoryLeader() << "\n");
1665
1666   auto LookupResult = MemoryAccessToClass.find(From);
1667   bool Changed = false;
1668   // If it's already in the table, see if the value changed.
1669   if (LookupResult != MemoryAccessToClass.end()) {
1670     auto *OldClass = LookupResult->second;
1671     if (OldClass != NewClass) {
1672       // If this is a phi, we have to handle memory member updates.
1673       if (auto *MP = dyn_cast<MemoryPhi>(From)) {
1674         OldClass->memory_erase(MP);
1675         NewClass->memory_insert(MP);
1676         // This may have killed the class if it had no non-memory members
1677         if (OldClass->getMemoryLeader() == From) {
1678           if (OldClass->definesNoMemory()) {
1679             OldClass->setMemoryLeader(nullptr);
1680           } else {
1681             OldClass->setMemoryLeader(getNextMemoryLeader(OldClass));
1682             LLVM_DEBUG(dbgs() << "Memory class leader change for class "
1683                               << OldClass->getID() << " to "
1684                               << *OldClass->getMemoryLeader()
1685                               << " due to removal of a memory member " << *From
1686                               << "\n");
1687             markMemoryLeaderChangeTouched(OldClass);
1688           }
1689         }
1690       }
1691       // It wasn't equivalent before, and now it is.
1692       LookupResult->second = NewClass;
1693       Changed = true;
1694     }
1695   }
1696
1697   return Changed;
1698 }
1699
1700 // Determine if a instruction is cycle-free.  That means the values in the
1701 // instruction don't depend on any expressions that can change value as a result
1702 // of the instruction.  For example, a non-cycle free instruction would be v =
1703 // phi(0, v+1).
1704 bool NewGVN::isCycleFree(const Instruction *I) const {
1705   // In order to compute cycle-freeness, we do SCC finding on the instruction,
1706   // and see what kind of SCC it ends up in.  If it is a singleton, it is
1707   // cycle-free.  If it is not in a singleton, it is only cycle free if the
1708   // other members are all phi nodes (as they do not compute anything, they are
1709   // copies).
1710   auto ICS = InstCycleState.lookup(I);
1711   if (ICS == ICS_Unknown) {
1712     SCCFinder.Start(I);
1713     auto &SCC = SCCFinder.getComponentFor(I);
1714     // It's cycle free if it's size 1 or the SCC is *only* phi nodes.
1715     if (SCC.size() == 1)
1716       InstCycleState.insert({I, ICS_CycleFree});
1717     else {
1718       bool AllPhis = llvm::all_of(SCC, [](const Value *V) {
1719         return isa<PHINode>(V) || isCopyOfAPHI(V);
1720       });
1721       ICS = AllPhis ? ICS_CycleFree : ICS_Cycle;
1722       for (auto *Member : SCC)
1723         if (auto *MemberPhi = dyn_cast<PHINode>(Member))
1724           InstCycleState.insert({MemberPhi, ICS});
1725     }
1726   }
1727   if (ICS == ICS_Cycle)
1728     return false;
1729   return true;
1730 }
1731
1732 // Evaluate PHI nodes symbolically and create an expression result.
1733 const Expression *
1734 NewGVN::performSymbolicPHIEvaluation(ArrayRef<ValPair> PHIOps,
1735                                      Instruction *I,
1736                                      BasicBlock *PHIBlock) const {
1737   // True if one of the incoming phi edges is a backedge.
1738   bool HasBackedge = false;
1739   // All constant tracks the state of whether all the *original* phi operands
1740   // This is really shorthand for "this phi cannot cycle due to forward
1741   // change in value of the phi is guaranteed not to later change the value of
1742   // the phi. IE it can't be v = phi(undef, v+1)
1743   bool OriginalOpsConstant = true;
1744   auto *E = cast<PHIExpression>(createPHIExpression(
1745       PHIOps, I, PHIBlock, HasBackedge, OriginalOpsConstant));
1746   // We match the semantics of SimplifyPhiNode from InstructionSimplify here.
1747   // See if all arguments are the same.
1748   // We track if any were undef because they need special handling.
1749   bool HasUndef = false;
1750   auto Filtered = make_filter_range(E->operands(), [&](Value *Arg) {
1751     if (isa<UndefValue>(Arg)) {
1752       HasUndef = true;
1753       return false;
1754     }
1755     return true;
1756   });
1757   // If we are left with no operands, it's dead.
1758   if (empty(Filtered)) {
1759     // If it has undef at this point, it means there are no-non-undef arguments,
1760     // and thus, the value of the phi node must be undef.
1761     if (HasUndef) {
1762       LLVM_DEBUG(
1763           dbgs() << "PHI Node " << *I
1764                  << " has no non-undef arguments, valuing it as undef\n");
1765       return createConstantExpression(UndefValue::get(I->getType()));
1766     }
1767
1768     LLVM_DEBUG(dbgs() << "No arguments of PHI node " << *I << " are live\n");
1769     deleteExpression(E);
1770     return createDeadExpression();
1771   }
1772   Value *AllSameValue = *(Filtered.begin());
1773   ++Filtered.begin();
1774   // Can't use std::equal here, sadly, because filter.begin moves.
1775   if (llvm::all_of(Filtered, [&](Value *Arg) { return Arg == AllSameValue; })) {
1776     // In LLVM's non-standard representation of phi nodes, it's possible to have
1777     // phi nodes with cycles (IE dependent on other phis that are .... dependent
1778     // on the original phi node), especially in weird CFG's where some arguments
1779     // are unreachable, or uninitialized along certain paths.  This can cause
1780     // infinite loops during evaluation. We work around this by not trying to
1781     // really evaluate them independently, but instead using a variable
1782     // expression to say if one is equivalent to the other.
1783     // We also special case undef, so that if we have an undef, we can't use the
1784     // common value unless it dominates the phi block.
1785     if (HasUndef) {
1786       // If we have undef and at least one other value, this is really a
1787       // multivalued phi, and we need to know if it's cycle free in order to
1788       // evaluate whether we can ignore the undef.  The other parts of this are
1789       // just shortcuts.  If there is no backedge, or all operands are
1790       // constants, it also must be cycle free.
1791       if (HasBackedge && !OriginalOpsConstant &&
1792           !isa<UndefValue>(AllSameValue) && !isCycleFree(I))
1793         return E;
1794
1795       // Only have to check for instructions
1796       if (auto *AllSameInst = dyn_cast<Instruction>(AllSameValue))
1797         if (!someEquivalentDominates(AllSameInst, I))
1798           return E;
1799     }
1800     // Can't simplify to something that comes later in the iteration.
1801     // Otherwise, when and if it changes congruence class, we will never catch
1802     // up. We will always be a class behind it.
1803     if (isa<Instruction>(AllSameValue) &&
1804         InstrToDFSNum(AllSameValue) > InstrToDFSNum(I))
1805       return E;
1806     NumGVNPhisAllSame++;
1807     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Simplified PHI node " << *I << " to " << *AllSameValue
1808                       << "\n");
1809     deleteExpression(E);
1810     return createVariableOrConstant(AllSameValue);
1811   }
1812   return E;
1813 }
1814
1815 const Expression *
1816 NewGVN::performSymbolicAggrValueEvaluation(Instruction *I) const {
1817   if (auto *EI = dyn_cast<ExtractValueInst>(I)) {
1818     auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(EI->getAggregateOperand());
1819     if (II && EI->getNumIndices() == 1 && *EI->idx_begin() == 0) {
1820       unsigned Opcode = 0;
1821       // EI might be an extract from one of our recognised intrinsics. If it
1822       // is we'll synthesize a semantically equivalent expression instead on
1823       // an extract value expression.
1824       switch (II->getIntrinsicID()) {
1825       case Intrinsic::sadd_with_overflow:
1826       case Intrinsic::uadd_with_overflow:
1827         Opcode = Instruction::Add;
1828         break;
1829       case Intrinsic::ssub_with_overflow:
1830       case Intrinsic::usub_with_overflow:
1831         Opcode = Instruction::Sub;
1832         break;
1833       case Intrinsic::smul_with_overflow:
1834       case Intrinsic::umul_with_overflow:
1835         Opcode = Instruction::Mul;
1836         break;
1837       default:
1838         break;
1839       }
1840
1841       if (Opcode != 0) {
1842         // Intrinsic recognized. Grab its args to finish building the
1843         // expression.
1844         assert(II->getNumArgOperands() == 2 &&
1845                "Expect two args for recognised intrinsics.");
1846         return createBinaryExpression(Opcode, EI->getType(),
1847                                       II->getArgOperand(0),
1848                                       II->getArgOperand(1), I);
1849       }
1850     }
1851   }
1852
1853   return createAggregateValueExpression(I);
1854 }
1855
1856 const Expression *NewGVN::performSymbolicCmpEvaluation(Instruction *I) const {
1857   assert(isa<CmpInst>(I) && "Expected a cmp instruction.");
1858
1859   auto *CI = cast<CmpInst>(I);
1860   // See if our operands are equal to those of a previous predicate, and if so,
1861   // if it implies true or false.
1862   auto Op0 = lookupOperandLeader(CI->getOperand(0));
1863   auto Op1 = lookupOperandLeader(CI->getOperand(1));
1864   auto OurPredicate = CI->getPredicate();
1865   if (shouldSwapOperands(Op0, Op1)) {
1866     std::swap(Op0, Op1);
1867     OurPredicate = CI->getSwappedPredicate();
1868   }
1869
1870   // Avoid processing the same info twice.
1871   const PredicateBase *LastPredInfo = nullptr;
1872   // See if we know something about the comparison itself, like it is the target
1873   // of an assume.
1874   auto *CmpPI = PredInfo->getPredicateInfoFor(I);
1875   if (dyn_cast_or_null<PredicateAssume>(CmpPI))
1876     return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1877
1878   if (Op0 == Op1) {
1879     // This condition does not depend on predicates, no need to add users
1880     if (CI->isTrueWhenEqual())
1881       return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1882     else if (CI->isFalseWhenEqual())
1883       return createConstantExpression(ConstantInt::getFalse(CI->getType()));
1884   }
1885
1886   // NOTE: Because we are comparing both operands here and below, and using
1887   // previous comparisons, we rely on fact that predicateinfo knows to mark
1888   // comparisons that use renamed operands as users of the earlier comparisons.
1889   // It is *not* enough to just mark predicateinfo renamed operands as users of
1890   // the earlier comparisons, because the *other* operand may have changed in a
1891   // previous iteration.
1892   // Example:
1893   // icmp slt %a, %b
1894   // %b.0 = ssa.copy(%b)
1895   // false branch:
1896   // icmp slt %c, %b.0
1897
1898   // %c and %a may start out equal, and thus, the code below will say the second
1899   // %icmp is false.  c may become equal to something else, and in that case the
1900   // %second icmp *must* be reexamined, but would not if only the renamed
1901   // %operands are considered users of the icmp.
1902
1903   // *Currently* we only check one level of comparisons back, and only mark one
1904   // level back as touched when changes happen.  If you modify this code to look
1905   // back farther through comparisons, you *must* mark the appropriate
1906   // comparisons as users in PredicateInfo.cpp, or you will cause bugs.  See if
1907   // we know something just from the operands themselves
1908
1909   // See if our operands have predicate info, so that we may be able to derive
1910   // something from a previous comparison.
1911   for (const auto &Op : CI->operands()) {
1912     auto *PI = PredInfo->getPredicateInfoFor(Op);
1913     if (const auto *PBranch = dyn_cast_or_null<PredicateBranch>(PI)) {
1914       if (PI == LastPredInfo)
1915         continue;
1916       LastPredInfo = PI;
1917       // In phi of ops cases, we may have predicate info that we are evaluating
1918       // in a different context.
1919       if (!DT->dominates(PBranch->To, getBlockForValue(I)))
1920         continue;
1921       // TODO: Along the false edge, we may know more things too, like
1922       // icmp of
1923       // same operands is false.
1924       // TODO: We only handle actual comparison conditions below, not
1925       // and/or.
1926       auto *BranchCond = dyn_cast<CmpInst>(PBranch->Condition);
1927       if (!BranchCond)
1928         continue;
1929       auto *BranchOp0 = lookupOperandLeader(BranchCond->getOperand(0));
1930       auto *BranchOp1 = lookupOperandLeader(BranchCond->getOperand(1));
1931       auto BranchPredicate = BranchCond->getPredicate();
1932       if (shouldSwapOperands(BranchOp0, BranchOp1)) {
1933         std::swap(BranchOp0, BranchOp1);
1934         BranchPredicate = BranchCond->getSwappedPredicate();
1935       }
1936       if (BranchOp0 == Op0 && BranchOp1 == Op1) {
1937         if (PBranch->TrueEdge) {
1938           // If we know the previous predicate is true and we are in the true
1939           // edge then we may be implied true or false.
1940           if (CmpInst::isImpliedTrueByMatchingCmp(BranchPredicate,
1941                                                   OurPredicate)) {
1942             addPredicateUsers(PI, I);
1943             return createConstantExpression(
1944                 ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1945           }
1946
1947           if (CmpInst::isImpliedFalseByMatchingCmp(BranchPredicate,
1948                                                    OurPredicate)) {
1949             addPredicateUsers(PI, I);
1950             return createConstantExpression(
1951                 ConstantInt::getFalse(CI->getType()));
1952           }
1953         } else {
1954           // Just handle the ne and eq cases, where if we have the same
1955           // operands, we may know something.
1956           if (BranchPredicate == OurPredicate) {
1957             addPredicateUsers(PI, I);
1958             // Same predicate, same ops,we know it was false, so this is false.
1959             return createConstantExpression(
1960                 ConstantInt::getFalse(CI->getType()));
1961           } else if (BranchPredicate ==
1962                      CmpInst::getInversePredicate(OurPredicate)) {
1963             addPredicateUsers(PI, I);
1964             // Inverse predicate, we know the other was false, so this is true.
1965             return createConstantExpression(
1966                 ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1967           }
1968         }
1969       }
1970     }
1971   }
1972   // Create expression will take care of simplifyCmpInst
1973   return createExpression(I);
1974 }
1975
1976 // Substitute and symbolize the value before value numbering.
1977 const Expression *
1978 NewGVN::performSymbolicEvaluation(Value *V,
1979                                   SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) const {
1980   const Expression *E = nullptr;
1981   if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V))
1982     E = createConstantExpression(C);
1983   else if (isa<Argument>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) {
1984     E = createVariableExpression(V);
1985   } else {
1986     // TODO: memory intrinsics.
1987     // TODO: Some day, we should do the forward propagation and reassociation
1988     // parts of the algorithm.
1989     auto *I = cast<Instruction>(V);
1990     switch (I->getOpcode()) {
1991     case Instruction::ExtractValue:
1992     case Instruction::InsertValue:
1993       E = performSymbolicAggrValueEvaluation(I);
1994       break;
1995     case Instruction::PHI: {
1996       SmallVector<ValPair, 3> Ops;
1997       auto *PN = cast<PHINode>(I);
1998       for (unsigned i = 0; i < PN->getNumOperands(); ++i)
1999         Ops.push_back({PN->getIncomingValue(i), PN->getIncomingBlock(i)});
2000       // Sort to ensure the invariant createPHIExpression requires is met.
2001       sortPHIOps(Ops);
2002       E = performSymbolicPHIEvaluation(Ops, I, getBlockForValue(I));
2003     } break;
2004     case Instruction::Call:
2005       E = performSymbolicCallEvaluation(I);
2006       break;
2007     case Instruction::Store:
2008       E = performSymbolicStoreEvaluation(I);
2009       break;
2010     case Instruction::Load:
2011       E = performSymbolicLoadEvaluation(I);
2012       break;
2013     case Instruction::BitCast:
2014       E = createExpression(I);
2015       break;
2016     case Instruction::ICmp:
2017     case Instruction::FCmp:
2018       E = performSymbolicCmpEvaluation(I);
2019       break;
2020     case Instruction::Add:
2021     case Instruction::FAdd:
2022     case Instruction::Sub:
2023     case Instruction::FSub:
2024     case Instruction::Mul:
2025     case Instruction::FMul:
2026     case Instruction::UDiv:
2027     case Instruction::SDiv:
2028     case Instruction::FDiv:
2029     case Instruction::URem:
2030     case Instruction::SRem:
2031     case Instruction::FRem:
2032     case Instruction::Shl:
2033     case Instruction::LShr:
2034     case Instruction::AShr:
2035     case Instruction::And:
2036     case Instruction::Or:
2037     case Instruction::Xor:
2038     case Instruction::Trunc:
2039     case Instruction::ZExt:
2040     case Instruction::SExt:
2041     case Instruction::FPToUI:
2042     case Instruction::FPToSI:
2043     case Instruction::UIToFP:
2044     case Instruction::SIToFP:
2045     case Instruction::FPTrunc:
2046     case Instruction::FPExt:
2047     case Instruction::PtrToInt:
2048     case Instruction::IntToPtr:
2049     case Instruction::Select:
2050     case Instruction::ExtractElement:
2051     case Instruction::InsertElement:
2052     case Instruction::ShuffleVector:
2053     case Instruction::GetElementPtr:
2054       E = createExpression(I);
2055       break;
2056     default:
2057       return nullptr;
2058     }
2059   }
2060   return E;
2061 }
2062
2063 // Look up a container in a map, and then call a function for each thing in the
2064 // found container.
2065 template <typename Map, typename KeyType, typename Func>
2066 void NewGVN::for_each_found(Map &M, const KeyType &Key, Func F) {
2067   const auto Result = M.find_as(Key);
2068   if (Result != M.end())
2069     for (typename Map::mapped_type::value_type Mapped : Result->second)
2070       F(Mapped);
2071 }
2072
2073 // Look up a container of values/instructions in a map, and touch all the
2074 // instructions in the container.  Then erase value from the map.
2075 template <typename Map, typename KeyType>
2076 void NewGVN::touchAndErase(Map &M, const KeyType &Key) {
2077   const auto Result = M.find_as(Key);
2078   if (Result != M.end()) {
2079     for (const typename Map::mapped_type::value_type Mapped : Result->second)
2080       TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(Mapped));
2081     M.erase(Result);
2082   }
2083 }
2084
2085 void NewGVN::addAdditionalUsers(Value *To, Value *User) const {
2086   assert(User && To != User);
2087   if (isa<Instruction>(To))
2088     AdditionalUsers[To].insert(User);
2089 }
2090
2091 void NewGVN::markUsersTouched(Value *V) {
2092   // Now mark the users as touched.
2093   for (auto *User : V->users()) {
2094     assert(isa<Instruction>(User) && "Use of value not within an instruction?");
2095     TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(User));
2096   }
2097   touchAndErase(AdditionalUsers, V);
2098 }
2099
2100 void NewGVN::addMemoryUsers(const MemoryAccess *To, MemoryAccess *U) const {
2101   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Adding memory user " << *U << " to " << *To << "\n");
2102   MemoryToUsers[To].insert(U);
2103 }
2104
2105 void NewGVN::markMemoryDefTouched(const MemoryAccess *MA) {
2106   TouchedInstructions.set(MemoryToDFSNum(MA));
2107 }
2108
2109 void NewGVN::markMemoryUsersTouched(const MemoryAccess *MA) {
2110   if (isa<MemoryUse>(MA))
2111     return;
2112   for (auto U : MA->users())
2113     TouchedInstructions.set(MemoryToDFSNum(U));
2114   touchAndErase(MemoryToUsers, MA);
2115 }
2116
2117 // Add I to the set of users of a given predicate.
2118 void NewGVN::addPredicateUsers(const PredicateBase *PB, Instruction *I) const {
2119   // Don't add temporary instructions to the user lists.
2120   if (AllTempInstructions.count(I))
2121     return;
2122
2123   if (auto *PBranch = dyn_cast<PredicateBranch>(PB))
2124     PredicateToUsers[PBranch->Condition].insert(I);
2125   else if (auto *PAssume = dyn_cast<PredicateBranch>(PB))
2126     PredicateToUsers[PAssume->Condition].insert(I);
2127 }
2128
2129 // Touch all the predicates that depend on this instruction.
2130 void NewGVN::markPredicateUsersTouched(Instruction *I) {
2131   touchAndErase(PredicateToUsers, I);
2132 }
2133
2134 // Mark users affected by a memory leader change.
2135 void NewGVN::markMemoryLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC) {
2136   for (auto M : CC->memory())
2137     markMemoryDefTouched(M);
2138 }
2139
2140 // Touch the instructions that need to be updated after a congruence class has a
2141 // leader change, and mark changed values.
2142 void NewGVN::markValueLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC) {
2143   for (auto M : *CC) {
2144     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(M))
2145       TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(I));
2146     LeaderChanges.insert(M);
2147   }
2148 }
2149
2150 // Give a range of things that have instruction DFS numbers, this will return
2151 // the member of the range with the smallest dfs number.
2152 template <class T, class Range>
2153 T *NewGVN::getMinDFSOfRange(const Range &R) const {
2154   std::pair<T *, unsigned> MinDFS = {nullptr, ~0U};
2155   for (const auto X : R) {
2156     auto DFSNum = InstrToDFSNum(X);
2157     if (DFSNum < MinDFS.second)
2158       MinDFS = {X, DFSNum};
2159   }
2160   return MinDFS.first;
2161 }
2162
2163 // This function returns the MemoryAccess that should be the next leader of
2164 // congruence class CC, under the assumption that the current leader is going to
2165 // disappear.
2166 const MemoryAccess *NewGVN::getNextMemoryLeader(CongruenceClass *CC) const {
2167   // TODO: If this ends up to slow, we can maintain a next memory leader like we
2168   // do for regular leaders.
2169   // Make sure there will be a leader to find.
2170   assert(!CC->definesNoMemory() && "Can't get next leader if there is none");
2171   if (CC->getStoreCount() > 0) {
2172     if (auto *NL = dyn_cast_or_null<StoreInst>(CC->getNextLeader().first))
2173       return getMemoryAccess(NL);
2174     // Find the store with the minimum DFS number.
2175     auto *V = getMinDFSOfRange<Value>(make_filter_range(
2176         *CC, [&](const Value *V) { return isa<StoreInst>(V); }));
2177     return getMemoryAccess(cast<StoreInst>(V));
2178   }
2179   assert(CC->getStoreCount() == 0);
2180
2181   // Given our assertion, hitting this part must mean
2182   // !OldClass->memory_empty()
2183   if (CC->memory_size() == 1)
2184     return *CC->memory_begin();
2185   return getMinDFSOfRange<const MemoryPhi>(CC->memory());
2186 }
2187
2188 // This function returns the next value leader of a congruence class, under the
2189 // assumption that the current leader is going away.  This should end up being
2190 // the next most dominating member.
2191 Value *NewGVN::getNextValueLeader(CongruenceClass *CC) const {
2192   // We don't need to sort members if there is only 1, and we don't care about
2193   // sorting the TOP class because everything either gets out of it or is
2194   // unreachable.
2195
2196   if (CC->size() == 1 || CC == TOPClass) {
2197     return *(CC->begin());
2198   } else if (CC->getNextLeader().first) {
2199     ++NumGVNAvoidedSortedLeaderChanges;
2200     return CC->getNextLeader().first;
2201   } else {
2202     ++NumGVNSortedLeaderChanges;
2203     // NOTE: If this ends up to slow, we can maintain a dual structure for
2204     // member testing/insertion, or keep things mostly sorted, and sort only
2205     // here, or use SparseBitVector or ....
2206     return getMinDFSOfRange<Value>(*CC);
2207   }
2208 }
2209
2210 // Move a MemoryAccess, currently in OldClass, to NewClass, including updates to
2211 // the memory members, etc for the move.
2212 //
2213 // The invariants of this function are:
2214 //
2215 // - I must be moving to NewClass from OldClass
2216 // - The StoreCount of OldClass and NewClass is expected to have been updated
2217 //   for I already if it is a store.
2218 // - The OldClass memory leader has not been updated yet if I was the leader.
2219 void NewGVN::moveMemoryToNewCongruenceClass(Instruction *I,
2220                                             MemoryAccess *InstMA,
2221                                             CongruenceClass *OldClass,
2222                                             CongruenceClass *NewClass) {
2223   // If the leader is I, and we had a representative MemoryAccess, it should
2224   // be the MemoryAccess of OldClass.
2225   assert((!InstMA || !OldClass->getMemoryLeader() ||
2226           OldClass->getLeader() != I ||
2227           MemoryAccessToClass.lookup(OldClass->getMemoryLeader()) ==
2228               MemoryAccessToClass.lookup(InstMA)) &&
2229          "Representative MemoryAccess mismatch");
2230   // First, see what happens to the new class
2231   if (!NewClass->getMemoryLeader()) {
2232     // Should be a new class, or a store becoming a leader of a new class.
2233     assert(NewClass->size() == 1 ||
2234            (isa<StoreInst>(I) && NewClass->getStoreCount() == 1));
2235     NewClass->setMemoryLeader(InstMA);
2236     // Mark it touched if we didn't just create a singleton
2237     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Memory class leader change for class "
2238                       << NewClass->getID()
2239                       << " due to new memory instruction becoming leader\n");
2240     markMemoryLeaderChangeTouched(NewClass);
2241   }
2242   setMemoryClass(InstMA, NewClass);
2243   // Now, fixup the old class if necessary
2244   if (OldClass->getMemoryLeader() == InstMA) {
2245     if (!OldClass->definesNoMemory()) {
2246       OldClass->setMemoryLeader(getNextMemoryLeader(OldClass));
2247       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Memory class leader change for class "
2248                         << OldClass->getID() << " to "
2249                         << *OldClass->getMemoryLeader()
2250                         << " due to removal of old leader " << *InstMA << "\n");
2251       markMemoryLeaderChangeTouched(OldClass);
2252     } else
2253       OldClass->setMemoryLeader(nullptr);
2254   }
2255 }
2256
2257 // Move a value, currently in OldClass, to be part of NewClass
2258 // Update OldClass and NewClass for the move (including changing leaders, etc).
2259 void NewGVN::moveValueToNewCongruenceClass(Instruction *I, const Expression *E,
2260                                            CongruenceClass *OldClass,
2261                                            CongruenceClass *NewClass) {
2262   if (I == OldClass->getNextLeader().first)
2263     OldClass->resetNextLeader();
2264
2265   OldClass->erase(I);
2266   NewClass->insert(I);
2267
2268   if (NewClass->getLeader() != I)
2269     NewClass->addPossibleNextLeader({I, InstrToDFSNum(I)});
2270   // Handle our special casing of stores.
2271   if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
2272     OldClass->decStoreCount();
2273     // Okay, so when do we want to make a store a leader of a class?
2274     // If we have a store defined by an earlier load, we want the earlier load
2275     // to lead the class.
2276     // If we have a store defined by something else, we want the store to lead
2277     // the class so everything else gets the "something else" as a value.
2278     // If we have a store as the single member of the class, we want the store
2279     // as the leader
2280     if (NewClass->getStoreCount() == 0 && !NewClass->getStoredValue()) {
2281       // If it's a store expression we are using, it means we are not equivalent
2282       // to something earlier.
2283       if (auto *SE = dyn_cast<StoreExpression>(E)) {
2284         NewClass->setStoredValue(SE->getStoredValue());
2285         markValueLeaderChangeTouched(NewClass);
2286         // Shift the new class leader to be the store
2287         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Changing leader of congruence class "
2288                           << NewClass->getID() << " from "
2289                           << *NewClass->getLeader() << " to  " << *SI
2290                           << " because store joined class\n");
2291         // If we changed the leader, we have to mark it changed because we don't
2292         // know what it will do to symbolic evaluation.
2293         NewClass->setLeader(SI);
2294       }
2295       // We rely on the code below handling the MemoryAccess change.
2296     }
2297     NewClass->incStoreCount();
2298   }
2299   // True if there is no memory instructions left in a class that had memory
2300   // instructions before.
2301
2302   // If it's not a memory use, set the MemoryAccess equivalence
2303   auto *InstMA = dyn_cast_or_null<MemoryDef>(getMemoryAccess(I));
2304   if (InstMA)
2305     moveMemoryToNewCongruenceClass(I, InstMA, OldClass, NewClass);
2306   ValueToClass[I] = NewClass;
2307   // See if we destroyed the class or need to swap leaders.
2308   if (OldClass->empty() && OldClass != TOPClass) {
2309     if (OldClass->getDefiningExpr()) {
2310       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Erasing expression " << *OldClass->getDefiningExpr()
2311                         << " from table\n");
2312       // We erase it as an exact expression to make sure we don't just erase an
2313       // equivalent one.
2314       auto Iter = ExpressionToClass.find_as(
2315           ExactEqualsExpression(*OldClass->getDefiningExpr()));
2316       if (Iter != ExpressionToClass.end())
2317         ExpressionToClass.erase(Iter);
2318 #ifdef EXPENSIVE_CHECKS
2319       assert(
2320           (*OldClass->getDefiningExpr() != *E || ExpressionToClass.lookup(E)) &&
2321           "We erased the expression we just inserted, which should not happen");
2322 #endif
2323     }
2324   } else if (OldClass->getLeader() == I) {
2325     // When the leader changes, the value numbering of
2326     // everything may change due to symbolization changes, so we need to
2327     // reprocess.
2328     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Value class leader change for class "
2329                       << OldClass->getID() << "\n");
2330     ++NumGVNLeaderChanges;
2331     // Destroy the stored value if there are no more stores to represent it.
2332     // Note that this is basically clean up for the expression removal that
2333     // happens below.  If we remove stores from a class, we may leave it as a
2334     // class of equivalent memory phis.
2335     if (OldClass->getStoreCount() == 0) {
2336       if (OldClass->getStoredValue())
2337         OldClass->setStoredValue(nullptr);
2338     }
2339     OldClass->setLeader(getNextValueLeader(OldClass));
2340     OldClass->resetNextLeader();
2341     markValueLeaderChangeTouched(OldClass);
2342   }
2343 }
2344
2345 // For a given expression, mark the phi of ops instructions that could have
2346 // changed as a result.
2347 void NewGVN::markPhiOfOpsChanged(const Expression *E) {
2348   touchAndErase(ExpressionToPhiOfOps, E);
2349 }
2350
2351 // Perform congruence finding on a given value numbering expression.
2352 void NewGVN::performCongruenceFinding(Instruction *I, const Expression *E) {
2353   // This is guaranteed to return something, since it will at least find
2354   // TOP.
2355
2356   CongruenceClass *IClass = ValueToClass.lookup(I);
2357   assert(IClass && "Should have found a IClass");
2358   // Dead classes should have been eliminated from the mapping.
2359   assert(!IClass->isDead() && "Found a dead class");
2360
2361   CongruenceClass *EClass = nullptr;
2362   if (const auto *VE = dyn_cast<VariableExpression>(E)) {
2363     EClass = ValueToClass.lookup(VE->getVariableValue());
2364   } else if (isa<DeadExpression>(E)) {
2365     EClass = TOPClass;
2366   }
2367   if (!EClass) {
2368     auto lookupResult = ExpressionToClass.insert({E, nullptr});
2369
2370     // If it's not in the value table, create a new congruence class.
2371     if (lookupResult.second) {
2372       CongruenceClass *NewClass = createCongruenceClass(nullptr, E);
2373       auto place = lookupResult.first;
2374       place->second = NewClass;
2375
2376       // Constants and variables should always be made the leader.
2377       if (const auto *CE = dyn_cast<ConstantExpression>(E)) {
2378         NewClass->setLeader(CE->getConstantValue());
2379       } else if (const auto *SE = dyn_cast<StoreExpression>(E)) {
2380         StoreInst *SI = SE->getStoreInst();
2381         NewClass->setLeader(SI);
2382         NewClass->setStoredValue(SE->getStoredValue());
2383         // The RepMemoryAccess field will be filled in properly by the
2384         // moveValueToNewCongruenceClass call.
2385       } else {
2386         NewClass->setLeader(I);
2387       }
2388       assert(!isa<VariableExpression>(E) &&
2389              "VariableExpression should have been handled already");
2390
2391       EClass = NewClass;
2392       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Created new congruence class for " << *I
2393                         << " using expression " << *E << " at "
2394                         << NewClass->getID() << " and leader "
2395                         << *(NewClass->getLeader()));
2396       if (NewClass->getStoredValue())
2397         LLVM_DEBUG(dbgs() << " and stored value "
2398                           << *(NewClass->getStoredValue()));
2399       LLVM_DEBUG(dbgs() << "\n");
2400     } else {
2401       EClass = lookupResult.first->second;
2402       if (isa<ConstantExpression>(E))
2403         assert((isa<Constant>(EClass->getLeader()) ||
2404                 (EClass->getStoredValue() &&
2405                  isa<Constant>(EClass->getStoredValue()))) &&
2406                "Any class with a constant expression should have a "
2407                "constant leader");
2408
2409       assert(EClass && "Somehow don't have an eclass");
2410
2411       assert(!EClass->isDead() && "We accidentally looked up a dead class");
2412     }
2413   }
2414   bool ClassChanged = IClass != EClass;
2415   bool LeaderChanged = LeaderChanges.erase(I);
2416   if (ClassChanged || LeaderChanged) {
2417     LLVM_DEBUG(dbgs() << "New class " << EClass->getID() << " for expression "
2418                       << *E << "\n");
2419     if (ClassChanged) {
2420       moveValueToNewCongruenceClass(I, E, IClass, EClass);
2421       markPhiOfOpsChanged(E);
2422     }
2423
2424     markUsersTouched(I);
2425     if (MemoryAccess *MA = getMemoryAccess(I))
2426       markMemoryUsersTouched(MA);
2427     if (auto *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2428       markPredicateUsersTouched(CI);
2429   }
2430   // If we changed the class of the store, we want to ensure nothing finds the
2431   // old store expression.  In particular, loads do not compare against stored
2432   // value, so they will find old store expressions (and associated class
2433   // mappings) if we leave them in the table.
2434   if (ClassChanged && isa<StoreInst>(I)) {
2435     auto *OldE = ValueToExpression.lookup(I);
2436     // It could just be that the old class died. We don't want to erase it if we
2437     // just moved classes.
2438     if (OldE && isa<StoreExpression>(OldE) && *E != *OldE) {
2439       // Erase this as an exact expression to ensure we don't erase expressions
2440       // equivalent to it.
2441       auto Iter = ExpressionToClass.find_as(ExactEqualsExpression(*OldE));
2442       if (Iter != ExpressionToClass.end())
2443         ExpressionToClass.erase(Iter);
2444     }
2445   }
2446   ValueToExpression[I] = E;
2447 }
2448
2449 // Process the fact that Edge (from, to) is reachable, including marking
2450 // any newly reachable blocks and instructions for processing.
2451 void NewGVN::updateReachableEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To) {
2452   // Check if the Edge was reachable before.
2453   if (ReachableEdges.insert({From, To}).second) {
2454     // If this block wasn't reachable before, all instructions are touched.
2455     if (ReachableBlocks.insert(To).second) {
2456       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Block " << getBlockName(To)
2457                         << " marked reachable\n");
2458       const auto &InstRange = BlockInstRange.lookup(To);
2459       TouchedInstructions.set(InstRange.first, InstRange.second);
2460     } else {
2461       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Block " << getBlockName(To)
2462                         << " was reachable, but new edge {"
2463                         << getBlockName(From) << "," << getBlockName(To)
2464                         << "} to it found\n");
2465
2466       // We've made an edge reachable to an existing block, which may
2467       // impact predicates. Otherwise, only mark the phi nodes as touched, as
2468       // they are the only thing that depend on new edges. Anything using their
2469       // values will get propagated to if necessary.
2470       if (MemoryAccess *MemPhi = getMemoryAccess(To))
2471         TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(MemPhi));
2472
2473       // FIXME: We should just add a union op on a Bitvector and
2474       // SparseBitVector.  We can do it word by word faster than we are doing it
2475       // here.
2476       for (auto InstNum : RevisitOnReachabilityChange[To])
2477         TouchedInstructions.set(InstNum);
2478     }
2479   }
2480 }
2481
2482 // Given a predicate condition (from a switch, cmp, or whatever) and a block,
2483 // see if we know some constant value for it already.
2484 Value *NewGVN::findConditionEquivalence(Value *Cond) const {
2485   auto Result = lookupOperandLeader(Cond);
2486   return isa<Constant>(Result) ? Result : nullptr;
2487 }
2488
2489 // Process the outgoing edges of a block for reachability.
2490 void NewGVN::processOutgoingEdges(Instruction *TI, BasicBlock *B) {
2491   // Evaluate reachability of terminator instruction.
2492   BranchInst *BR;
2493   if ((BR = dyn_cast<BranchInst>(TI)) && BR->isConditional()) {
2494     Value *Cond = BR->getCondition();
2495     Value *CondEvaluated = findConditionEquivalence(Cond);
2496     if (!CondEvaluated) {
2497       if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(Cond)) {
2498         const Expression *E = createExpression(I);
2499         if (const auto *CE = dyn_cast<ConstantExpression>(E)) {
2500           CondEvaluated = CE->getConstantValue();
2501         }
2502       } else if (isa<ConstantInt>(Cond)) {
2503         CondEvaluated = Cond;
2504       }
2505     }
2506     ConstantInt *CI;
2507     BasicBlock *TrueSucc = BR->getSuccessor(0);
2508     BasicBlock *FalseSucc = BR->getSuccessor(1);
2509     if (CondEvaluated && (CI = dyn_cast<ConstantInt>(CondEvaluated))) {
2510       if (CI->isOne()) {
2511         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Condition for Terminator " << *TI
2512                           << " evaluated to true\n");
2513         updateReachableEdge(B, TrueSucc);
2514       } else if (CI->isZero()) {
2515         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Condition for Terminator " << *TI
2516                           << " evaluated to false\n");
2517         updateReachableEdge(B, FalseSucc);
2518       }
2519     } else {
2520       updateReachableEdge(B, TrueSucc);
2521       updateReachableEdge(B, FalseSucc);
2522     }
2523   } else if (auto *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
2524     // For switches, propagate the case values into the case
2525     // destinations.
2526
2527     // Remember how many outgoing edges there are to every successor.
2528     SmallDenseMap<BasicBlock *, unsigned, 16> SwitchEdges;
2529
2530     Value *SwitchCond = SI->getCondition();
2531     Value *CondEvaluated = findConditionEquivalence(SwitchCond);
2532     // See if we were able to turn this switch statement into a constant.
2533     if (CondEvaluated && isa<ConstantInt>(CondEvaluated)) {
2534       auto *CondVal = cast<ConstantInt>(CondEvaluated);
2535       // We should be able to get case value for this.
2536       auto Case = *SI->findCaseValue(CondVal);
2537       if (Case.getCaseSuccessor() == SI->getDefaultDest()) {
2538         // We proved the value is outside of the range of the case.
2539         // We can't do anything other than mark the default dest as reachable,
2540         // and go home.
2541         updateReachableEdge(B, SI->getDefaultDest());
2542         return;
2543       }
2544       // Now get where it goes and mark it reachable.
2545       BasicBlock *TargetBlock = Case.getCaseSuccessor();
2546       updateReachableEdge(B, TargetBlock);
2547     } else {
2548       for (unsigned i = 0, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
2549         BasicBlock *TargetBlock = SI->getSuccessor(i);
2550         ++SwitchEdges[TargetBlock];
2551         updateReachableEdge(B, TargetBlock);
2552       }
2553     }
2554   } else {
2555     // Otherwise this is either unconditional, or a type we have no
2556     // idea about. Just mark successors as reachable.
2557     for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
2558       BasicBlock *TargetBlock = TI->getSuccessor(i);
2559       updateReachableEdge(B, TargetBlock);
2560     }
2561
2562     // This also may be a memory defining terminator, in which case, set it
2563     // equivalent only to itself.
2564     //
2565     auto *MA = getMemoryAccess(TI);
2566     if (MA && !isa<MemoryUse>(MA)) {
2567       auto *CC = ensureLeaderOfMemoryClass(MA);
2568       if (setMemoryClass(MA, CC))
2569         markMemoryUsersTouched(MA);
2570     }
2571   }
2572 }
2573
2574 // Remove the PHI of Ops PHI for I
2575 void NewGVN::removePhiOfOps(Instruction *I, PHINode *PHITemp) {
2576   InstrDFS.erase(PHITemp);
2577   // It's still a temp instruction. We keep it in the array so it gets erased.
2578   // However, it's no longer used by I, or in the block
2579   TempToBlock.erase(PHITemp);
2580   RealToTemp.erase(I);
2581   // We don't remove the users from the phi node uses. This wastes a little
2582   // time, but such is life.  We could use two sets to track which were there
2583   // are the start of NewGVN, and which were added, but right nowt he cost of
2584   // tracking is more than the cost of checking for more phi of ops.
2585 }
2586
2587 // Add PHI Op in BB as a PHI of operations version of ExistingValue.
2588 void NewGVN::addPhiOfOps(PHINode *Op, BasicBlock *BB,
2589                          Instruction *ExistingValue) {
2590   InstrDFS[Op] = InstrToDFSNum(ExistingValue);
2591   AllTempInstructions.insert(Op);
2592   TempToBlock[Op] = BB;
2593   RealToTemp[ExistingValue] = Op;
2594   // Add all users to phi node use, as they are now uses of the phi of ops phis
2595   // and may themselves be phi of ops.
2596   for (auto *U : ExistingValue->users())
2597     if (auto *UI = dyn_cast<Instruction>(U))
2598       PHINodeUses.insert(UI);
2599 }
2600
2601 static bool okayForPHIOfOps(const Instruction *I) {
2602   if (!EnablePhiOfOps)
2603     return false;
2604   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<SelectInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2605          isa<LoadInst>(I);
2606 }
2607
2608 bool NewGVN::OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(
2609     Value *V, const BasicBlock *PHIBlock,
2610     SmallPtrSetImpl<const Value *> &Visited,
2611     SmallVectorImpl<Instruction *> &Worklist) {
2612
2613   if (!isa<Instruction>(V))
2614     return true;
2615   auto OISIt = OpSafeForPHIOfOps.find(V);
2616   if (OISIt != OpSafeForPHIOfOps.end())
2617     return OISIt->second;
2618
2619   // Keep walking until we either dominate the phi block, or hit a phi, or run
2620   // out of things to check.
2621   if (DT->properlyDominates(getBlockForValue(V), PHIBlock)) {
2622     OpSafeForPHIOfOps.insert({V, true});
2623     return true;
2624   }
2625   // PHI in the same block.
2626   if (isa<PHINode>(V) && getBlockForValue(V) == PHIBlock) {
2627     OpSafeForPHIOfOps.insert({V, false});
2628     return false;
2629   }
2630
2631   auto *OrigI = cast<Instruction>(V);
2632   for (auto *Op : OrigI->operand_values()) {
2633     if (!isa<Instruction>(Op))
2634       continue;
2635     // Stop now if we find an unsafe operand.
2636     auto OISIt = OpSafeForPHIOfOps.find(OrigI);
2637     if (OISIt != OpSafeForPHIOfOps.end()) {
2638       if (!OISIt->second) {
2639         OpSafeForPHIOfOps.insert({V, false});
2640         return false;
2641       }
2642       continue;
2643     }
2644     if (!Visited.insert(Op).second)
2645       continue;
2646     Worklist.push_back(cast<Instruction>(Op));
2647   }
2648   return true;
2649 }
2650
2651 // Return true if this operand will be safe to use for phi of ops.
2652 //
2653 // The reason some operands are unsafe is that we are not trying to recursively
2654 // translate everything back through phi nodes.  We actually expect some lookups
2655 // of expressions to fail.  In particular, a lookup where the expression cannot
2656 // exist in the predecessor.  This is true even if the expression, as shown, can
2657 // be determined to be constant.
2658 bool NewGVN::OpIsSafeForPHIOfOps(Value *V, const BasicBlock *PHIBlock,
2659                                  SmallPtrSetImpl<const Value *> &Visited) {
2660   SmallVector<Instruction *, 4> Worklist;
2661   if (!OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(V, PHIBlock, Visited, Worklist))
2662     return false;
2663   while (!Worklist.empty()) {
2664     auto *I = Worklist.pop_back_val();
2665     if (!OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(I, PHIBlock, Visited, Worklist))
2666       return false;
2667   }
2668   OpSafeForPHIOfOps.insert({V, true});
2669   return true;
2670 }
2671
2672 // Try to find a leader for instruction TransInst, which is a phi translated
2673 // version of something in our original program.  Visited is used to ensure we
2674 // don't infinite loop during translations of cycles.  OrigInst is the
2675 // instruction in the original program, and PredBB is the predecessor we
2676 // translated it through.
2677 Value *NewGVN::findLeaderForInst(Instruction *TransInst,
2678                                  SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited,
2679                                  MemoryAccess *MemAccess, Instruction *OrigInst,
2680                                  BasicBlock *PredBB) {
2681   unsigned IDFSNum = InstrToDFSNum(OrigInst);
2682   // Make sure it's marked as a temporary instruction.
2683   AllTempInstructions.insert(TransInst);
2684   // and make sure anything that tries to add it's DFS number is
2685   // redirected to the instruction we are making a phi of ops
2686   // for.
2687   TempToBlock.insert({TransInst, PredBB});
2688   InstrDFS.insert({TransInst, IDFSNum});
2689
2690   const Expression *E = performSymbolicEvaluation(TransInst, Visited);
2691   InstrDFS.erase(TransInst);
2692   AllTempInstructions.erase(TransInst);
2693   TempToBlock.erase(TransInst);
2694   if (MemAccess)
2695     TempToMemory.erase(TransInst);
2696   if (!E)
2697     return nullptr;
2698   auto *FoundVal = findPHIOfOpsLeader(E, OrigInst, PredBB);
2699   if (!FoundVal) {
2700     ExpressionToPhiOfOps[E].insert(OrigInst);
2701     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Cannot find phi of ops operand for " << *TransInst
2702                       << " in block " << getBlockName(PredBB) << "\n");
2703     return nullptr;
2704   }
2705   if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(FoundVal))
2706     FoundVal = SI->getValueOperand();
2707   return FoundVal;
2708 }
2709
2710 // When we see an instruction that is an op of phis, generate the equivalent phi
2711 // of ops form.
2712 const Expression *
2713 NewGVN::makePossiblePHIOfOps(Instruction *I,
2714                              SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) {
2715   if (!okayForPHIOfOps(I))
2716     return nullptr;
2717
2718   if (!Visited.insert(I).second)
2719     return nullptr;
2720   // For now, we require the instruction be cycle free because we don't
2721   // *always* create a phi of ops for instructions that could be done as phi
2722   // of ops, we only do it if we think it is useful.  If we did do it all the
2723   // time, we could remove the cycle free check.
2724   if (!isCycleFree(I))
2725     return nullptr;
2726
2727   SmallPtrSet<const Value *, 8> ProcessedPHIs;
2728   // TODO: We don't do phi translation on memory accesses because it's
2729   // complicated. For a load, we'd need to be able to simulate a new memoryuse,
2730   // which we don't have a good way of doing ATM.
2731   auto *MemAccess = getMemoryAccess(I);
2732   // If the memory operation is defined by a memory operation this block that
2733   // isn't a MemoryPhi, transforming the pointer backwards through a scalar phi
2734   // can't help, as it would still be killed by that memory operation.
2735   if (MemAccess && !isa<MemoryPhi>(MemAccess->getDefiningAccess()) &&
2736       MemAccess->getDefiningAccess()->getBlock() == I->getParent())
2737     return nullptr;
2738
2739   // Convert op of phis to phi of ops
2740   SmallPtrSet<const Value *, 10> VisitedOps;
2741   SmallVector<Value *, 4> Ops(I->operand_values());
2742   BasicBlock *SamePHIBlock = nullptr;
2743   PHINode *OpPHI = nullptr;
2744   if (!DebugCounter::shouldExecute(PHIOfOpsCounter))
2745     return nullptr;
2746   for (auto *Op : Ops) {
2747     if (!isa<PHINode>(Op)) {
2748       auto *ValuePHI = RealToTemp.lookup(Op);
2749       if (!ValuePHI)
2750         continue;
2751       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Found possible dependent phi of ops\n");
2752       Op = ValuePHI;
2753     }
2754     OpPHI = cast<PHINode>(Op);
2755     if (!SamePHIBlock) {
2756       SamePHIBlock = getBlockForValue(OpPHI);
2757     } else if (SamePHIBlock != getBlockForValue(OpPHI)) {
2758       LLVM_DEBUG(
2759           dbgs()
2760           << "PHIs for operands are not all in the same block, aborting\n");
2761       return nullptr;
2762     }
2763     // No point in doing this for one-operand phis.
2764     if (OpPHI->getNumOperands() == 1) {
2765       OpPHI = nullptr;
2766       continue;
2767     }
2768   }
2769
2770   if (!OpPHI)
2771     return nullptr;
2772
2773   SmallVector<ValPair, 4> PHIOps;
2774   SmallPtrSet<Value *, 4> Deps;
2775   auto *PHIBlock = getBlockForValue(OpPHI);
2776   RevisitOnReachabilityChange[PHIBlock].reset(InstrToDFSNum(I));
2777   for (unsigned PredNum = 0; PredNum < OpPHI->getNumOperands(); ++PredNum) {
2778     auto *PredBB = OpPHI->getIncomingBlock(PredNum);
2779     Value *FoundVal = nullptr;
2780     SmallPtrSet<Value *, 4> CurrentDeps;
2781     // We could just skip unreachable edges entirely but it's tricky to do
2782     // with rewriting existing phi nodes.
2783     if (ReachableEdges.count({PredBB, PHIBlock})) {
2784       // Clone the instruction, create an expression from it that is
2785       // translated back into the predecessor, and see if we have a leader.
2786       Instruction *ValueOp = I->clone();
2787       if (MemAccess)
2788         TempToMemory.insert({ValueOp, MemAccess});
2789       bool SafeForPHIOfOps = true;
2790       VisitedOps.clear();
2791       for (auto &Op : ValueOp->operands()) {
2792         auto *OrigOp = &*Op;
2793         // When these operand changes, it could change whether there is a
2794         // leader for us or not, so we have to add additional users.
2795         if (isa<PHINode>(Op)) {
2796           Op = Op->DoPHITranslation(PHIBlock, PredBB);
2797           if (Op != OrigOp && Op != I)
2798             CurrentDeps.insert(Op);
2799         } else if (auto *ValuePHI = RealToTemp.lookup(Op)) {
2800           if (getBlockForValue(ValuePHI) == PHIBlock)
2801             Op = ValuePHI->getIncomingValueForBlock(PredBB);
2802         }
2803         // If we phi-translated the op, it must be safe.
2804         SafeForPHIOfOps =
2805             SafeForPHIOfOps &&
2806             (Op != OrigOp || OpIsSafeForPHIOfOps(Op, PHIBlock, VisitedOps));
2807       }
2808       // FIXME: For those things that are not safe we could generate
2809       // expressions all the way down, and see if this comes out to a
2810       // constant.  For anything where that is true, and unsafe, we should
2811       // have made a phi-of-ops (or value numbered it equivalent to something)
2812       // for the pieces already.
2813       FoundVal = !SafeForPHIOfOps ? nullptr
2814                                   : findLeaderForInst(ValueOp, Visited,
2815                                                       MemAccess, I, PredBB);
2816       ValueOp->deleteValue();
2817       if (!FoundVal) {
2818         // We failed to find a leader for the current ValueOp, but this might
2819         // change in case of the translated operands change.
2820         if (SafeForPHIOfOps)
2821           for (auto Dep : CurrentDeps)
2822             addAdditionalUsers(Dep, I);
2823
2824         return nullptr;
2825       }
2826       Deps.insert(CurrentDeps.begin(), CurrentDeps.end());
2827     } else {
2828       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Skipping phi of ops operand for incoming block "
2829                         << getBlockName(PredBB)
2830                         << " because the block is unreachable\n");
2831       FoundVal = UndefValue::get(I->getType());
2832       RevisitOnReachabilityChange[PHIBlock].set(InstrToDFSNum(I));
2833     }
2834
2835     PHIOps.push_back({FoundVal, PredBB});
2836     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Found phi of ops operand " << *FoundVal << " in "
2837                       << getBlockName(PredBB) << "\n");
2838   }
2839   for (auto Dep : Deps)
2840     addAdditionalUsers(Dep, I);
2841   sortPHIOps(PHIOps);
2842   auto *E = performSymbolicPHIEvaluation(PHIOps, I, PHIBlock);
2843   if (isa<ConstantExpression>(E) || isa<VariableExpression>(E)) {
2844     LLVM_DEBUG(
2845         dbgs()
2846         << "Not creating real PHI of ops because it simplified to existing "
2847            "value or constant\n");
2848     return E;
2849   }
2850   auto *ValuePHI = RealToTemp.lookup(I);
2851   bool NewPHI = false;
2852   if (!ValuePHI) {
2853     ValuePHI =
2854         PHINode::Create(I->getType(), OpPHI->getNumOperands(), "phiofops");
2855     addPhiOfOps(ValuePHI, PHIBlock, I);
2856     NewPHI = true;
2857     NumGVNPHIOfOpsCreated++;
2858   }
2859   if (NewPHI) {
2860     for (auto PHIOp : PHIOps)
2861       ValuePHI->addIncoming(PHIOp.first, PHIOp.second);
2862   } else {
2863     TempToBlock[ValuePHI] = PHIBlock;
2864     unsigned int i = 0;
2865     for (auto PHIOp : PHIOps) {
2866       ValuePHI->setIncomingValue(i, PHIOp.first);
2867       ValuePHI->setIncomingBlock(i, PHIOp.second);
2868       ++i;
2869     }
2870   }
2871   RevisitOnReachabilityChange[PHIBlock].set(InstrToDFSNum(I));
2872   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Created phi of ops " << *ValuePHI << " for " << *I
2873                     << "\n");
2874
2875   return E;
2876 }
2877
2878 // The algorithm initially places the values of the routine in the TOP
2879 // congruence class. The leader of TOP is the undetermined value `undef`.
2880 // When the algorithm has finished, values still in TOP are unreachable.
2881 void NewGVN::initializeCongruenceClasses(Function &F) {
2882   NextCongruenceNum = 0;
2883
2884   // Note that even though we use the live on entry def as a representative
2885   // MemoryAccess, it is *not* the same as the actual live on entry def. We
2886   // have no real equivalemnt to undef for MemoryAccesses, and so we really
2887   // should be checking whether the MemoryAccess is top if we want to know if it
2888   // is equivalent to everything.  Otherwise, what this really signifies is that
2889   // the access "it reaches all the way back to the beginning of the function"
2890
2891   // Initialize all other instructions to be in TOP class.
2892   TOPClass = createCongruenceClass(nullptr, nullptr);
2893   TOPClass->setMemoryLeader(MSSA->getLiveOnEntryDef());
2894   //  The live on entry def gets put into it's own class
2895   MemoryAccessToClass[MSSA->getLiveOnEntryDef()] =
2896       createMemoryClass(MSSA->getLiveOnEntryDef());
2897
2898   for (auto DTN : nodes(DT)) {
2899     BasicBlock *BB = DTN->getBlock();
2900     // All MemoryAccesses are equivalent to live on entry to start. They must
2901     // be initialized to something so that initial changes are noticed. For
2902     // the maximal answer, we initialize them all to be the same as
2903     // liveOnEntry.
2904     auto *MemoryBlockDefs = MSSA->getBlockDefs(BB);
2905     if (MemoryBlockDefs)
2906       for (const auto &Def : *MemoryBlockDefs) {
2907         MemoryAccessToClass[&Def] = TOPClass;
2908         auto *MD = dyn_cast<MemoryDef>(&Def);
2909         // Insert the memory phis into the member list.
2910         if (!MD) {
2911           const MemoryPhi *MP = cast<MemoryPhi>(&Def);
2912           TOPClass->memory_insert(MP);
2913           MemoryPhiState.insert({MP, MPS_TOP});
2914         }
2915
2916         if (MD && isa<StoreInst>(MD->getMemoryInst()))
2917           TOPClass->incStoreCount();
2918       }
2919
2920     // FIXME: This is trying to discover which instructions are uses of phi
2921     // nodes.  We should move this into one of the myriad of places that walk
2922     // all the operands already.
2923     for (auto &I : *BB) {
2924       if (isa<PHINode>(&I))
2925         for (auto *U : I.users())
2926           if (auto *UInst = dyn_cast<Instruction>(U))
2927             if (InstrToDFSNum(UInst) != 0 && okayForPHIOfOps(UInst))
2928               PHINodeUses.insert(UInst);
2929       // Don't insert void terminators into the class. We don't value number
2930       // them, and they just end up sitting in TOP.
2931       if (I.isTerminator() && I.getType()->isVoidTy())
2932         continue;
2933       TOPClass->insert(&I);
2934       ValueToClass[&I] = TOPClass;
2935     }
2936   }
2937
2938   // Initialize arguments to be in their own unique congruence classes
2939   for (auto &FA : F.args())
2940     createSingletonCongruenceClass(&FA);
2941 }
2942
2943 void NewGVN::cleanupTables() {
2944   for (unsigned i = 0, e = CongruenceClasses.size(); i != e; ++i) {
2945     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Congruence class " << CongruenceClasses[i]->getID()
2946                       << " has " << CongruenceClasses[i]->size()
2947                       << " members\n");
2948     // Make sure we delete the congruence class (probably worth switching to
2949     // a unique_ptr at some point.
2950     delete CongruenceClasses[i];
2951     CongruenceClasses[i] = nullptr;
2952   }
2953
2954   // Destroy the value expressions
2955   SmallVector<Instruction *, 8> TempInst(AllTempInstructions.begin(),
2956                                          AllTempInstructions.end());
2957   AllTempInstructions.clear();
2958
2959   // We have to drop all references for everything first, so there are no uses
2960   // left as we delete them.
2961   for (auto *I : TempInst) {
2962     I->dropAllReferences();
2963   }
2964
2965   while (!TempInst.empty()) {
2966     auto *I = TempInst.back();
2967     TempInst.pop_back();
2968     I->deleteValue();
2969   }
2970
2971   ValueToClass.clear();
2972   ArgRecycler.clear(ExpressionAllocator);
2973   ExpressionAllocator.Reset();
2974   CongruenceClasses.clear();
2975   ExpressionToClass.clear();
2976   ValueToExpression.clear();
2977   RealToTemp.clear();
2978   AdditionalUsers.clear();
2979   ExpressionToPhiOfOps.clear();
2980   TempToBlock.clear();
2981   TempToMemory.clear();
2982   PHINodeUses.clear();
2983   OpSafeForPHIOfOps.clear();
2984   ReachableBlocks.clear();
2985   ReachableEdges.clear();
2986 #ifndef NDEBUG
2987   ProcessedCount.clear();
2988 #endif
2989   InstrDFS.clear();
2990   InstructionsToErase.clear();
2991   DFSToInstr.clear();
2992   BlockInstRange.clear();
2993   TouchedInstructions.clear();
2994   MemoryAccessToClass.clear();
2995   PredicateToUsers.clear();
2996   MemoryToUsers.clear();
2997   RevisitOnReachabilityChange.clear();
2998 }
2999
3000 // Assign local DFS number mapping to instructions, and leave space for Value
3001 // PHI's.
3002 std::pair<unsigned, unsigned> NewGVN::assignDFSNumbers(BasicBlock *B,
3003                                                        unsigned Start) {
3004   unsigned End = Start;
3005   if (MemoryAccess *MemPhi = getMemoryAccess(B)) {
3006     InstrDFS[MemPhi] = End++;
3007     DFSToInstr.emplace_back(MemPhi);
3008   }
3009
3010   // Then the real block goes next.
3011   for (auto &I : *B) {
3012     // There's no need to call isInstructionTriviallyDead more than once on
3013     // an instruction. Therefore, once we know that an instruction is dead
3014     // we change its DFS number so that it doesn't get value numbered.
3015     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
3016       InstrDFS[&I] = 0;
3017       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Skipping trivially dead instruction " << I << "\n");
3018       markInstructionForDeletion(&I);
3019       continue;
3020     }
3021     if (isa<PHINode>(&I))
3022       RevisitOnReachabilityChange[B].set(End);
3023     InstrDFS[&I] = End++;
3024     DFSToInstr.emplace_back(&I);
3025   }
3026
3027   // All of the range functions taken half-open ranges (open on the end side).
3028   // So we do not subtract one from count, because at this point it is one
3029   // greater than the last instruction.
3030   return std::make_pair(Start, End);
3031 }
3032
3033 void NewGVN::updateProcessedCount(const Value *V) {
3034 #ifndef NDEBUG
3035   if (ProcessedCount.count(V) == 0) {
3036     ProcessedCount.insert({V, 1});
3037   } else {
3038     ++ProcessedCount[V];
3039     assert(ProcessedCount[V] < 100 &&
3040            "Seem to have processed the same Value a lot");
3041   }
3042 #endif
3043 }
3044
3045 // Evaluate MemoryPhi nodes symbolically, just like PHI nodes
3046 void NewGVN::valueNumberMemoryPhi(MemoryPhi *MP) {
3047   // If all the arguments are the same, the MemoryPhi has the same value as the
3048   // argument.  Filter out unreachable blocks and self phis from our operands.
3049   // TODO: We could do cycle-checking on the memory phis to allow valueizing for
3050   // self-phi checking.
3051   const BasicBlock *PHIBlock = MP->getBlock();
3052   auto Filtered = make_filter_range(MP->operands(), [&](const Use &U) {
3053     return cast<MemoryAccess>(U) != MP &&
3054            !isMemoryAccessTOP(cast<MemoryAccess>(U)) &&
3055            ReachableEdges.count({MP->getIncomingBlock(U), PHIBlock});
3056   });
3057   // If all that is left is nothing, our memoryphi is undef. We keep it as
3058   // InitialClass.  Note: The only case this should happen is if we have at
3059   // least one self-argument.
3060   if (Filtered.begin() == Filtered.end()) {
3061     if (setMemoryClass(MP, TOPClass))
3062       markMemoryUsersTouched(MP);
3063     return;
3064   }
3065
3066   // Transform the remaining operands into operand leaders.
3067   // FIXME: mapped_iterator should have a range version.
3068   auto LookupFunc = [&](const Use &U) {
3069     return lookupMemoryLeader(cast<MemoryAccess>(U));
3070   };
3071   auto MappedBegin = map_iterator(Filtered.begin(), LookupFunc);
3072   auto MappedEnd = map_iterator(Filtered.end(), LookupFunc);
3073
3074   // and now check if all the elements are equal.
3075   // Sadly, we can't use std::equals since these are random access iterators.
3076   const auto *AllSameValue = *MappedBegin;
3077   ++MappedBegin;
3078   bool AllEqual = std::all_of(
3079       MappedBegin, MappedEnd,
3080       [&AllSameValue](const MemoryAccess *V) { return V == AllSameValue; });
3081
3082   if (AllEqual)
3083     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Memory Phi value numbered to " << *AllSameValue
3084                       << "\n");
3085   else
3086     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Memory Phi value numbered to itself\n");
3087   // If it's equal to something, it's in that class. Otherwise, it has to be in
3088   // a class where it is the leader (other things may be equivalent to it, but
3089   // it needs to start off in its own class, which means it must have been the
3090   // leader, and it can't have stopped being the leader because it was never
3091   // removed).
3092   CongruenceClass *CC =
3093       AllEqual ? getMemoryClass(AllSameValue) : ensureLeaderOfMemoryClass(MP);
3094   auto OldState = MemoryPhiState.lookup(MP);
3095   assert(OldState != MPS_Invalid && "Invalid memory phi state");
3096   auto NewState = AllEqual ? MPS_Equivalent : MPS_Unique;
3097   MemoryPhiState[MP] = NewState;
3098   if (setMemoryClass(MP, CC) || OldState != NewState)
3099     markMemoryUsersTouched(MP);
3100 }
3101
3102 // Value number a single instruction, symbolically evaluating, performing
3103 // congruence finding, and updating mappings.
3104 void NewGVN::valueNumberInstruction(Instruction *I) {
3105   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Processing instruction " << *I << "\n");
3106   if (!I->isTerminator()) {
3107     const Expression *Symbolized = nullptr;
3108     SmallPtrSet<Value *, 2> Visited;
3109     if (DebugCounter::shouldExecute(VNCounter)) {
3110       Symbolized = performSymbolicEvaluation(I, Visited);
3111       // Make a phi of ops if necessary
3112       if (Symbolized && !isa<ConstantExpression>(Symbolized) &&
3113           !isa<VariableExpression>(Symbolized) && PHINodeUses.count(I)) {
3114         auto *PHIE = makePossiblePHIOfOps(I, Visited);
3115         // If we created a phi of ops, use it.
3116         // If we couldn't create one, make sure we don't leave one lying around
3117         if (PHIE) {
3118           Symbolized = PHIE;
3119         } else if (auto *Op = RealToTemp.lookup(I)) {
3120           removePhiOfOps(I, Op);
3121         }
3122       }
3123     } else {
3124       // Mark the instruction as unused so we don't value number it again.
3125       InstrDFS[I] = 0;
3126     }
3127     // If we couldn't come up with a symbolic expression, use the unknown
3128     // expression
3129     if (Symbolized == nullptr)
3130       Symbolized = createUnknownExpression(I);
3131     performCongruenceFinding(I, Symbolized);
3132   } else {
3133     // Handle terminators that return values. All of them produce values we
3134     // don't currently understand.  We don't place non-value producing
3135     // terminators in a class.
3136     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
3137       auto *Symbolized = createUnknownExpression(I);
3138       performCongruenceFinding(I, Symbolized);
3139     }
3140     processOutgoingEdges(I, I->getParent());
3141   }
3142 }
3143
3144 // Check if there is a path, using single or equal argument phi nodes, from
3145 // First to Second.
3146 bool NewGVN::singleReachablePHIPath(
3147     SmallPtrSet<const MemoryAccess *, 8> &Visited, const MemoryAccess *First,
3148     const MemoryAccess *Second) const {
3149   if (First == Second)
3150     return true;
3151   if (MSSA->isLiveOnEntryDef(First))
3152     return false;
3153
3154   // This is not perfect, but as we're just verifying here, we can live with
3155   // the loss of precision. The real solution would be that of doing strongly
3156   // connected component finding in this routine, and it's probably not worth
3157   // the complexity for the time being. So, we just keep a set of visited
3158   // MemoryAccess and return true when we hit a cycle.
3159   if (Visited.count(First))
3160     return true;
3161   Visited.insert(First);
3162
3163   const auto *EndDef = First;
3164   for (auto *ChainDef : optimized_def_chain(First)) {
3165     if (ChainDef == Second)
3166       return true;
3167     if (MSSA->isLiveOnEntryDef(ChainDef))
3168       return false;
3169     EndDef = ChainDef;
3170   }
3171   auto *MP = cast<MemoryPhi>(EndDef);
3172   auto ReachableOperandPred = [&](const Use &U) {
3173     return ReachableEdges.count({MP->getIncomingBlock(U), MP->getBlock()});
3174   };
3175   auto FilteredPhiArgs =
3176       make_filter_range(MP->operands(), ReachableOperandPred);
3177   SmallVector<const Value *, 32> OperandList;
3178   llvm::copy(FilteredPhiArgs, std::back_inserter(OperandList));
3179   bool Okay = is_splat(OperandList);
3180   if (Okay)
3181     return singleReachablePHIPath(Visited, cast<MemoryAccess>(OperandList[0]),
3182                                   Second);
3183   return false;
3184 }
3185
3186 // Verify the that the memory equivalence table makes sense relative to the
3187 // congruence classes.  Note that this checking is not perfect, and is currently
3188 // subject to very rare false negatives. It is only useful for
3189 // testing/debugging.
3190 void NewGVN::verifyMemoryCongruency() const {
3191 #ifndef NDEBUG
3192   // Verify that the memory table equivalence and memory member set match
3193   for (const auto *CC : CongruenceClasses) {
3194     if (CC == TOPClass || CC->isDead())
3195       continue;
3196     if (CC->getStoreCount() != 0) {
3197       assert((CC->getStoredValue() || !isa<StoreInst>(CC->getLeader())) &&
3198              "Any class with a store as a leader should have a "
3199              "representative stored value");
3200       assert(CC->getMemoryLeader() &&
3201              "Any congruence class with a store should have a "
3202              "representative access");
3203     }
3204
3205     if (CC->getMemoryLeader())
3206       assert(MemoryAccessToClass.lookup(CC->getMemoryLeader()) == CC &&
3207              "Representative MemoryAccess does not appear to be reverse "
3208              "mapped properly");
3209     for (auto M : CC->memory())
3210       assert(MemoryAccessToClass.lookup(M) == CC &&
3211              "Memory member does not appear to be reverse mapped properly");
3212   }
3213
3214   // Anything equivalent in the MemoryAccess table should be in the same
3215   // congruence class.
3216
3217   // Filter out the unreachable and trivially dead entries, because they may
3218   // never have been updated if the instructions were not processed.
3219   auto ReachableAccessPred =
3220       [&](const std::pair<const MemoryAccess *, CongruenceClass *> Pair) {
3221         bool Result = ReachableBlocks.count(Pair.first->getBlock());
3222         if (!Result || MSSA->isLiveOnEntryDef(Pair.first) ||
3223             MemoryToDFSNum(Pair.first) == 0)
3224           return false;
3225         if (auto *MemDef = dyn_cast<MemoryDef>(Pair.first))
3226           return !isInstructionTriviallyDead(MemDef->getMemoryInst());
3227
3228         // We could have phi nodes which operands are all trivially dead,
3229         // so we don't process them.
3230         if (auto *MemPHI = dyn_cast<MemoryPhi>(Pair.first)) {
3231           for (auto &U : MemPHI->incoming_values()) {
3232             if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(&*U)) {
3233               if (!isInstructionTriviallyDead(I))
3234                 return true;
3235             }
3236           }
3237           return false;
3238         }
3239
3240         return true;
3241       };
3242
3243   auto Filtered = make_filter_range(MemoryAccessToClass, ReachableAccessPred);
3244   for (auto KV : Filtered) {
3245     if (auto *FirstMUD = dyn_cast<MemoryUseOrDef>(KV.first)) {
3246       auto *SecondMUD = dyn_cast<MemoryUseOrDef>(KV.second->getMemoryLeader());
3247       if (FirstMUD && SecondMUD) {
3248         SmallPtrSet<const MemoryAccess *, 8> VisitedMAS;
3249         assert((singleReachablePHIPath(VisitedMAS, FirstMUD, SecondMUD) ||
3250                 ValueToClass.lookup(FirstMUD->getMemoryInst()) ==
3251                     ValueToClass.lookup(SecondMUD->getMemoryInst())) &&
3252                "The instructions for these memory operations should have "
3253                "been in the same congruence class or reachable through"
3254                "a single argument phi");
3255       }
3256     } else if (auto *FirstMP = dyn_cast<MemoryPhi>(KV.first)) {
3257       // We can only sanely verify that MemoryDefs in the operand list all have
3258       // the same class.
3259       auto ReachableOperandPred = [&](const Use &U) {
3260         return ReachableEdges.count(
3261                    {FirstMP->getIncomingBlock(U), FirstMP->getBlock()}) &&
3262                isa<MemoryDef>(U);
3263
3264       };
3265       // All arguments should in the same class, ignoring unreachable arguments
3266       auto FilteredPhiArgs =
3267           make_filter_range(FirstMP->operands(), ReachableOperandPred);
3268       SmallVector<const CongruenceClass *, 16> PhiOpClasses;
3269       std::transform(FilteredPhiArgs.begin(), FilteredPhiArgs.end(),
3270                      std::back_inserter(PhiOpClasses), [&](const Use &U) {
3271                        const MemoryDef *MD = cast<MemoryDef>(U);
3272                        return ValueToClass.lookup(MD->getMemoryInst());
3273                      });
3274       assert(is_splat(PhiOpClasses) &&
3275              "All MemoryPhi arguments should be in the same class");
3276     }
3277   }
3278 #endif
3279 }
3280
3281 // Verify that the sparse propagation we did actually found the maximal fixpoint
3282 // We do this by storing the value to class mapping, touching all instructions,
3283 // and redoing the iteration to see if anything changed.
3284 void NewGVN::verifyIterationSettled(Function &F) {
3285 #ifndef NDEBUG
3286   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Beginning iteration verification\n");
3287   if (DebugCounter::isCounterSet(VNCounter))
3288     DebugCounter::setCounterValue(VNCounter, StartingVNCounter);
3289
3290   // Note that we have to store the actual classes, as we may change existing
3291   // classes during iteration.  This is because our memory iteration propagation
3292   // is not perfect, and so may waste a little work.  But it should generate
3293   // exactly the same congruence classes we have now, with different IDs.
3294   std::map<const Value *, CongruenceClass> BeforeIteration;
3295
3296   for (auto &KV : ValueToClass) {
3297     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(KV.first))
3298       // Skip unused/dead instructions.
3299       if (InstrToDFSNum(I) == 0)
3300         continue;
3301     BeforeIteration.insert({KV.first, *KV.second});
3302   }
3303
3304   TouchedInstructions.set();
3305   TouchedInstructions.reset(0);
3306   iterateTouchedInstructions();
3307   DenseSet<std::pair<const CongruenceClass *, const CongruenceClass *>>
3308       EqualClasses;
3309   for (const auto &KV : ValueToClass) {
3310     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(KV.first))
3311       // Skip unused/dead instructions.
3312       if (InstrToDFSNum(I) == 0)
3313         continue;
3314     // We could sink these uses, but i think this adds a bit of clarity here as
3315     // to what we are comparing.
3316     auto *BeforeCC = &BeforeIteration.find(KV.first)->second;
3317     auto *AfterCC = KV.second;
3318     // Note that the classes can't change at this point, so we memoize the set
3319     // that are equal.
3320     if (!EqualClasses.count({BeforeCC, AfterCC})) {
3321       assert(BeforeCC->isEquivalentTo(AfterCC) &&
3322              "Value number changed after main loop completed!");
3323       EqualClasses.insert({BeforeCC, AfterCC});
3324     }
3325   }
3326 #endif
3327 }
3328
3329 // Verify that for each store expression in the expression to class mapping,
3330 // only the latest appears, and multiple ones do not appear.
3331 // Because loads do not use the stored value when doing equality with stores,
3332 // if we don't erase the old store expressions from the table, a load can find
3333 // a no-longer valid StoreExpression.
3334 void NewGVN::verifyStoreExpressions() const {
3335 #ifndef NDEBUG
3336   // This is the only use of this, and it's not worth defining a complicated
3337   // densemapinfo hash/equality function for it.
3338   std::set<
3339       std::pair<const Value *,
3340                 std::tuple<const Value *, const CongruenceClass *, Value *>>>
3341       StoreExpressionSet;
3342   for (const auto &KV : ExpressionToClass) {
3343     if (auto *SE = dyn_cast<StoreExpression>(KV.first)) {
3344       // Make sure a version that will conflict with loads is not already there
3345       auto Res = StoreExpressionSet.insert(
3346           {SE->getOperand(0), std::make_tuple(SE->getMemoryLeader(), KV.second,
3347                                               SE->getStoredValue())});
3348       bool Okay = Res.second;
3349       // It's okay to have the same expression already in there if it is
3350       // identical in nature.
3351       // This can happen when the leader of the stored value changes over time.
3352       if (!Okay)
3353         Okay = (std::get<1>(Res.first->second) == KV.second) &&
3354                (lookupOperandLeader(std::get<2>(Res.first->second)) ==
3355                 lookupOperandLeader(SE->getStoredValue()));
3356       assert(Okay && "Stored expression conflict exists in expression table");
3357       auto *ValueExpr = ValueToExpression.lookup(SE->getStoreInst());
3358       assert(ValueExpr && ValueExpr->equals(*SE) &&
3359              "StoreExpression in ExpressionToClass is not latest "
3360              "StoreExpression for value");
3361     }
3362   }
3363 #endif
3364 }
3365
3366 // This is the main value numbering loop, it iterates over the initial touched
3367 // instruction set, propagating value numbers, marking things touched, etc,
3368 // until the set of touched instructions is completely empty.
3369 void NewGVN::iterateTouchedInstructions() {
3370   unsigned int Iterations = 0;
3371   // Figure out where touchedinstructions starts
3372   int FirstInstr = TouchedInstructions.find_first();
3373   // Nothing set, nothing to iterate, just return.
3374   if (FirstInstr == -1)
3375     return;
3376   const BasicBlock *LastBlock = getBlockForValue(InstrFromDFSNum(FirstInstr));
3377   while (TouchedInstructions.any()) {
3378     ++Iterations;
3379     // Walk through all the instructions in all the blocks in RPO.
3380     // TODO: As we hit a new block, we should push and pop equalities into a
3381     // table lookupOperandLeader can use, to catch things PredicateInfo
3382     // might miss, like edge-only equivalences.
3383     for (unsigned InstrNum : TouchedInstructions.set_bits()) {
3384
3385       // This instruction was found to be dead. We don't bother looking
3386       // at it again.
3387       if (InstrNum == 0) {
3388         TouchedInstructions.reset(InstrNum);
3389         continue;
3390       }
3391
3392       Value *V = InstrFromDFSNum(InstrNum);
3393       const BasicBlock *CurrBlock = getBlockForValue(V);
3394
3395       // If we hit a new block, do reachability processing.
3396       if (CurrBlock != LastBlock) {
3397         LastBlock = CurrBlock;
3398         bool BlockReachable = ReachableBlocks.count(CurrBlock);
3399         const auto &CurrInstRange = BlockInstRange.lookup(CurrBlock);
3400
3401         // If it's not reachable, erase any touched instructions and move on.
3402         if (!BlockReachable) {
3403           TouchedInstructions.reset(CurrInstRange.first, CurrInstRange.second);
3404           LLVM_DEBUG(dbgs() << "Skipping instructions in block "
3405                             << getBlockName(CurrBlock)
3406                             << " because it is unreachable\n");
3407           continue;
3408         }
3409         updateProcessedCount(CurrBlock);
3410       }
3411       // Reset after processing (because we may mark ourselves as touched when
3412       // we propagate equalities).
3413       TouchedInstructions.reset(InstrNum);
3414
3415       if (auto *MP = dyn_cast<MemoryPhi>(V)) {
3416         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Processing MemoryPhi " << *MP << "\n");
3417         valueNumberMemoryPhi(MP);
3418       } else if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
3419         valueNumberInstruction(I);
3420       } else {
3421         llvm_unreachable("Should have been a MemoryPhi or Instruction");
3422       }
3423       updateProcessedCount(V);
3424     }
3425   }
3426   NumGVNMaxIterations = std::max(NumGVNMaxIterations.getValue(), Iterations);
3427 }
3428
3429 // This is the main transformation entry point.
3430 bool NewGVN::runGVN() {
3431   if (DebugCounter::isCounterSet(VNCounter))
3432     StartingVNCounter = DebugCounter::getCounterValue(VNCounter);
3433   bool Changed = false;
3434   NumFuncArgs = F.arg_size();
3435   MSSAWalker = MSSA->getWalker();
3436   SingletonDeadExpression = new (ExpressionAllocator) DeadExpression();
3437
3438   // Count number of instructions for sizing of hash tables, and come
3439   // up with a global dfs numbering for instructions.
3440   unsigned ICount = 1;
3441   // Add an empty instruction to account for the fact that we start at 1
3442   DFSToInstr.emplace_back(nullptr);
3443   // Note: We want ideal RPO traversal of the blocks, which is not quite the
3444   // same as dominator tree order, particularly with regard whether backedges
3445   // get visited first or second, given a block with multiple successors.
3446   // If we visit in the wrong order, we will end up performing N times as many
3447   // iterations.
3448   // The dominator tree does guarantee that, for a given dom tree node, it's
3449   // parent must occur before it in the RPO ordering. Thus, we only need to sort
3450   // the siblings.
3451   ReversePostOrderTraversal<Function *> RPOT(&F);
3452   unsigned Counter = 0;
3453   for (auto &B : RPOT) {
3454     auto *Node = DT->getNode(B);
3455     assert(Node && "RPO and Dominator tree should have same reachability");
3456     RPOOrdering[Node] = ++Counter;
3457   }
3458   // Sort dominator tree children arrays into RPO.
3459   for (auto &B : RPOT) {
3460     auto *Node = DT->getNode(B);
3461     if (Node->getChildren().size() > 1)
3462       llvm::sort(Node->begin(), Node->end(),
3463                  [&](const DomTreeNode *A, const DomTreeNode *B) {
3464                    return RPOOrdering[A] < RPOOrdering[B];
3465                  });
3466   }
3467
3468   // Now a standard depth first ordering of the domtree is equivalent to RPO.
3469   for (auto DTN : depth_first(DT->getRootNode())) {
3470     BasicBlock *B = DTN->getBlock();
3471     const auto &BlockRange = assignDFSNumbers(B, ICount);
3472     BlockInstRange.insert({B, BlockRange});
3473     ICount += BlockRange.second - BlockRange.first;
3474   }
3475   initializeCongruenceClasses(F);
3476
3477   TouchedInstructions.resize(ICount);
3478   // Ensure we don't end up resizing the expressionToClass map, as
3479   // that can be quite expensive. At most, we have one expression per
3480   // instruction.
3481   ExpressionToClass.reserve(ICount);
3482
3483   // Initialize the touched instructions to include the entry block.
3484   const auto &InstRange = BlockInstRange.lookup(&F.getEntryBlock());
3485   TouchedInstructions.set(InstRange.first, InstRange.second);
3486   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Block " << getBlockName(&F.getEntryBlock())
3487                     << " marked reachable\n");
3488   ReachableBlocks.insert(&F.getEntryBlock());
3489
3490   iterateTouchedInstructions();
3491   verifyMemoryCongruency();
3492   verifyIterationSettled(F);
3493   verifyStoreExpressions();
3494
3495   Changed |= eliminateInstructions(F);
3496
3497   // Delete all instructions marked for deletion.
3498   for (Instruction *ToErase : InstructionsToErase) {
3499     if (!ToErase->use_empty())
3500       ToErase->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(ToErase->getType()));
3501
3502     assert(ToErase->getParent() &&
3503            "BB containing ToErase deleted unexpectedly!");
3504     ToErase->eraseFromParent();
3505   }
3506         Changed |= !InstructionsToErase.empty();
3507
3508   // Delete all unreachable blocks.
3509   auto UnreachableBlockPred = [&](const BasicBlock &BB) {
3510     return !ReachableBlocks.count(&BB);
3511   };
3512
3513   for (auto &BB : make_filter_range(F, UnreachableBlockPred)) {
3514     LLVM_DEBUG(dbgs() << "We believe block " << getBlockName(&BB)
3515                       << " is unreachable\n");
3516     deleteInstructionsInBlock(&BB);
3517     Changed = true;
3518   }
3519
3520   cleanupTables();
3521   return Changed;
3522 }
3523
3524 struct NewGVN::ValueDFS {
3525   int DFSIn = 0;
3526   int DFSOut = 0;
3527   int LocalNum = 0;
3528
3529   // Only one of Def and U will be set.
3530   // The bool in the Def tells us whether the Def is the stored value of a
3531   // store.
3532   PointerIntPair<Value *, 1, bool> Def;
3533   Use *U = nullptr;
3534
3535   bool operator<(const ValueDFS &Other) const {
3536     // It's not enough that any given field be less than - we have sets
3537     // of fields that need to be evaluated together to give a proper ordering.
3538     // For example, if you have;
3539     // DFS (1, 3)
3540     // Val 0
3541     // DFS (1, 2)
3542     // Val 50
3543     // We want the second to be less than the first, but if we just go field
3544     // by field, we will get to Val 0 < Val 50 and say the first is less than
3545     // the second. We only want it to be less than if the DFS orders are equal.
3546     //
3547     // Each LLVM instruction only produces one value, and thus the lowest-level
3548     // differentiator that really matters for the stack (and what we use as as a
3549     // replacement) is the local dfs number.
3550     // Everything else in the structure is instruction level, and only affects
3551     // the order in which we will replace operands of a given instruction.
3552     //
3553     // For a given instruction (IE things with equal dfsin, dfsout, localnum),
3554     // the order of replacement of uses does not matter.
3555     // IE given,
3556     //  a = 5
3557     //  b = a + a
3558     // When you hit b, you will have two valuedfs with the same dfsin, out, and
3559     // localnum.
3560     // The .val will be the same as well.
3561     // The .u's will be different.
3562     // You will replace both, and it does not matter what order you replace them
3563     // in (IE whether you replace operand 2, then operand 1, or operand 1, then
3564     // operand 2).
3565     // Similarly for the case of same dfsin, dfsout, localnum, but different
3566     // .val's
3567     //  a = 5
3568     //  b  = 6
3569     //  c = a + b
3570     // in c, we will a valuedfs for a, and one for b,with everything the same
3571     // but .val  and .u.
3572     // It does not matter what order we replace these operands in.
3573     // You will always end up with the same IR, and this is guaranteed.
3574     return std::tie(DFSIn, DFSOut, LocalNum, Def, U) <
3575            std::tie(Other.DFSIn, Other.DFSOut, Other.LocalNum, Other.Def,
3576                     Other.U);
3577   }
3578 };
3579
3580 // This function converts the set of members for a congruence class from values,
3581 // to sets of defs and uses with associated DFS info.  The total number of
3582 // reachable uses for each value is stored in UseCount, and instructions that
3583 // seem
3584 // dead (have no non-dead uses) are stored in ProbablyDead.
3585 void NewGVN::convertClassToDFSOrdered(
3586     const CongruenceClass &Dense, SmallVectorImpl<ValueDFS> &DFSOrderedSet,
3587     DenseMap<const Value *, unsigned int> &UseCounts,
3588     SmallPtrSetImpl<Instruction *> &ProbablyDead) const {
3589   for (auto D : Dense) {
3590     // First add the value.
3591     BasicBlock *BB = getBlockForValue(D);
3592     // Constants are handled prior to ever calling this function, so
3593     // we should only be left with instructions as members.
3594     assert(BB && "Should have figured out a basic block for value");
3595     ValueDFS VDDef;
3596     DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(BB);
3597     VDDef.DFSIn = DomNode->getDFSNumIn();
3598     VDDef.DFSOut = DomNode->getDFSNumOut();
3599     // If it's a store, use the leader of the value operand, if it's always
3600     // available, or the value operand.  TODO: We could do dominance checks to
3601     // find a dominating leader, but not worth it ATM.
3602     if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(D)) {
3603       auto Leader = lookupOperandLeader(SI->getValueOperand());
3604       if (alwaysAvailable(Leader)) {
3605         VDDef.Def.setPointer(Leader);
3606       } else {
3607         VDDef.Def.setPointer(SI->getValueOperand());
3608         VDDef.Def.setInt(true);
3609       }
3610     } else {
3611       VDDef.Def.setPointer(D);
3612     }
3613     assert(isa<Instruction>(D) &&
3614            "The dense set member should always be an instruction");
3615     Instruction *Def = cast<Instruction>(D);
3616     VDDef.LocalNum = InstrToDFSNum(D);
3617     DFSOrderedSet.push_back(VDDef);
3618     // If there is a phi node equivalent, add it
3619     if (auto *PN = RealToTemp.lookup(Def)) {
3620       auto *PHIE =
3621           dyn_cast_or_null<PHIExpression>(ValueToExpression.lookup(Def));
3622       if (PHIE) {
3623         VDDef.Def.setInt(false);
3624         VDDef.Def.setPointer(PN);
3625         VDDef.LocalNum = 0;
3626         DFSOrderedSet.push_back(VDDef);
3627       }
3628     }
3629
3630     unsigned int UseCount = 0;
3631     // Now add the uses.
3632     for (auto &U : Def->uses()) {
3633       if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(U.getUser())) {
3634         // Don't try to replace into dead uses
3635         if (InstructionsToErase.count(I))
3636           continue;
3637         ValueDFS VDUse;
3638         // Put the phi node uses in the incoming block.
3639         BasicBlock *IBlock;
3640         if (auto *P = dyn_cast<PHINode>(I)) {
3641           IBlock = P->getIncomingBlock(U);
3642           // Make phi node users appear last in the incoming block
3643           // they are from.
3644           VDUse.LocalNum = InstrDFS.size() + 1;
3645         } else {
3646           IBlock = getBlockForValue(I);
3647           VDUse.LocalNum = InstrToDFSNum(I);
3648         }
3649
3650         // Skip uses in unreachable blocks, as we're going
3651         // to delete them.
3652         if (ReachableBlocks.count(IBlock) == 0)
3653           continue;
3654
3655         DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(IBlock);
3656         VDUse.DFSIn = DomNode->getDFSNumIn();
3657         VDUse.DFSOut = DomNode->getDFSNumOut();
3658         VDUse.U = &U;
3659         ++UseCount;
3660         DFSOrderedSet.emplace_back(VDUse);
3661       }
3662     }
3663
3664     // If there are no uses, it's probably dead (but it may have side-effects,
3665     // so not definitely dead. Otherwise, store the number of uses so we can
3666     // track if it becomes dead later).
3667     if (UseCount == 0)
3668       ProbablyDead.insert(Def);
3669     else
3670       UseCounts[Def] = UseCount;
3671   }
3672 }
3673
3674 // This function converts the set of members for a congruence class from values,
3675 // to the set of defs for loads and stores, with associated DFS info.
3676 void NewGVN::convertClassToLoadsAndStores(
3677     const CongruenceClass &Dense,
3678     SmallVectorImpl<ValueDFS> &LoadsAndStores) const {
3679   for (auto D : Dense) {
3680     if (!isa<LoadInst>(D) && !isa<StoreInst>(D))
3681       continue;
3682
3683     BasicBlock *BB = getBlockForValue(D);
3684     ValueDFS VD;
3685     DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(BB);
3686     VD.DFSIn = DomNode->getDFSNumIn();
3687     VD.DFSOut = DomNode->getDFSNumOut();
3688     VD.Def.setPointer(D);
3689
3690     // If it's an instruction, use the real local dfs number.
3691     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(D))
3692       VD.LocalNum = InstrToDFSNum(I);
3693     else
3694       llvm_unreachable("Should have been an instruction");
3695
3696     LoadsAndStores.emplace_back(VD);
3697   }
3698 }
3699
3700 static void patchAndReplaceAllUsesWith(Instruction *I, Value *Repl) {
3701   patchReplacementInstruction(I, Repl);
3702   I->replaceAllUsesWith(Repl);
3703 }
3704
3705 void NewGVN::deleteInstructionsInBlock(BasicBlock *BB) {
3706   LLVM_DEBUG(dbgs() << "  BasicBlock Dead:" << *BB);
3707   ++NumGVNBlocksDeleted;
3708
3709   // Delete the instructions backwards, as it has a reduced likelihood of having
3710   // to update as many def-use and use-def chains. Start after the terminator.
3711   auto StartPoint = BB->rbegin();
3712   ++StartPoint;
3713   // Note that we explicitly recalculate BB->rend() on each iteration,
3714   // as it may change when we remove the first instruction.
3715   for (BasicBlock::reverse_iterator I(StartPoint); I != BB->rend();) {
3716     Instruction &Inst = *I++;
3717     if (!Inst.use_empty())
3718       Inst.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Inst.getType()));
3719     if (isa<LandingPadInst>(Inst))
3720       continue;
3721
3722     Inst.eraseFromParent();
3723     ++NumGVNInstrDeleted;
3724   }
3725   // Now insert something that simplifycfg will turn into an unreachable.
3726   Type *Int8Ty = Type::getInt8Ty(BB->getContext());
3727   new StoreInst(UndefValue::get(Int8Ty),
3728                 Constant::getNullValue(Int8Ty->getPointerTo()),
3729                 BB->getTerminator());
3730 }
3731
3732 void NewGVN::markInstructionForDeletion(Instruction *I) {
3733   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Marking " << *I << " for deletion\n");
3734   InstructionsToErase.insert(I);
3735 }
3736
3737 void NewGVN::replaceInstruction(Instruction *I, Value *V) {
3738   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Replacing " << *I << " with " << *V << "\n");
3739   patchAndReplaceAllUsesWith(I, V);
3740   // We save the actual erasing to avoid invalidating memory
3741   // dependencies until we are done with everything.
3742   markInstructionForDeletion(I);
3743 }
3744
3745 namespace {
3746
3747 // This is a stack that contains both the value and dfs info of where
3748 // that value is valid.
3749 class ValueDFSStack {
3750 public:
3751   Value *back() const { return ValueStack.back(); }
3752   std::pair<int, int> dfs_back() const { return DFSStack.back(); }
3753
3754   void push_back(Value *V, int DFSIn, int DFSOut) {
3755     ValueStack.emplace_back(V);
3756     DFSStack.emplace_back(DFSIn, DFSOut);
3757   }
3758
3759   bool empty() const { return DFSStack.empty(); }
3760
3761   bool isInScope(int DFSIn, int DFSOut) const {
3762     if (empty())
3763       return false;
3764     return DFSIn >= DFSStack.back().first && DFSOut <= DFSStack.back().second;
3765   }
3766
3767   void popUntilDFSScope(int DFSIn, int DFSOut) {
3768
3769     // These two should always be in sync at this point.
3770     assert(ValueStack.size() == DFSStack.size() &&
3771            "Mismatch between ValueStack and DFSStack");
3772     while (
3773         !DFSStack.empty() &&
3774         !(DFSIn >= DFSStack.back().first && DFSOut <= DFSStack.back().second)) {
3775       DFSStack.pop_back();
3776       ValueStack.pop_back();
3777     }
3778   }
3779
3780 private:
3781   SmallVector<Value *, 8> ValueStack;
3782   SmallVector<std::pair<int, int>, 8> DFSStack;
3783 };
3784
3785 } // end anonymous namespace
3786
3787 // Given an expression, get the congruence class for it.
3788 CongruenceClass *NewGVN::getClassForExpression(const Expression *E) const {
3789   if (auto *VE = dyn_cast<VariableExpression>(E))
3790     return ValueToClass.lookup(VE->getVariableValue());
3791   else if (isa<DeadExpression>(E))
3792     return TOPClass;
3793   return ExpressionToClass.lookup(E);
3794 }
3795
3796 // Given a value and a basic block we are trying to see if it is available in,
3797 // see if the value has a leader available in that block.
3798 Value *NewGVN::findPHIOfOpsLeader(const Expression *E,
3799                                   const Instruction *OrigInst,
3800                                   const BasicBlock *BB) const {
3801   // It would already be constant if we could make it constant
3802   if (auto *CE = dyn_cast<ConstantExpression>(E))
3803     return CE->getConstantValue();
3804   if (auto *VE = dyn_cast<VariableExpression>(E)) {
3805     auto *V = VE->getVariableValue();
3806     if (alwaysAvailable(V) || DT->dominates(getBlockForValue(V), BB))
3807       return VE->getVariableValue();
3808   }
3809
3810   auto *CC = getClassForExpression(E);
3811   if (!CC)
3812     return nullptr;
3813   if (alwaysAvailable(CC->getLeader()))
3814     return CC->getLeader();
3815
3816   for (auto Member : *CC) {
3817     auto *MemberInst = dyn_cast<Instruction>(Member);
3818     if (MemberInst == OrigInst)
3819       continue;
3820     // Anything that isn't an instruction is always available.
3821     if (!MemberInst)
3822       return Member;
3823     if (DT->dominates(getBlockForValue(MemberInst), BB))
3824       return Member;
3825   }
3826   return nullptr;
3827 }
3828
3829 bool NewGVN::eliminateInstructions(Function &F) {
3830   // This is a non-standard eliminator. The normal way to eliminate is
3831   // to walk the dominator tree in order, keeping track of available
3832   // values, and eliminating them.  However, this is mildly
3833   // pointless. It requires doing lookups on every instruction,
3834   // regardless of whether we will ever eliminate it.  For
3835   // instructions part of most singleton congruence classes, we know we
3836   // will never eliminate them.
3837
3838   // Instead, this eliminator looks at the congruence classes directly, sorts
3839   // them into a DFS ordering of the dominator tree, and then we just
3840   // perform elimination straight on the sets by walking the congruence
3841   // class member uses in order, and eliminate the ones dominated by the
3842   // last member.   This is worst case O(E log E) where E = number of
3843   // instructions in a single congruence class.  In theory, this is all
3844   // instructions.   In practice, it is much faster, as most instructions are
3845   // either in singleton congruence classes or can't possibly be eliminated
3846   // anyway (if there are no overlapping DFS ranges in class).
3847   // When we find something not dominated, it becomes the new leader
3848   // for elimination purposes.
3849   // TODO: If we wanted to be faster, We could remove any members with no
3850   // overlapping ranges while sorting, as we will never eliminate anything
3851   // with those members, as they don't dominate anything else in our set.
3852
3853   bool AnythingReplaced = false;
3854
3855   // Since we are going to walk the domtree anyway, and we can't guarantee the
3856   // DFS numbers are updated, we compute some ourselves.
3857   DT->updateDFSNumbers();
3858
3859   // Go through all of our phi nodes, and kill the arguments associated with
3860   // unreachable edges.
3861   auto ReplaceUnreachablePHIArgs = [&](PHINode *PHI, BasicBlock *BB) {
3862     for (auto &Operand : PHI->incoming_values())
3863       if (!ReachableEdges.count({PHI->getIncomingBlock(Operand), BB})) {
3864         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Replacing incoming value of " << PHI
3865                           << " for block "
3866                           << getBlockName(PHI->getIncomingBlock(Operand))
3867                           << " with undef due to it being unreachable\n");
3868         Operand.set(UndefValue::get(PHI->getType()));
3869       }
3870   };
3871   // Replace unreachable phi arguments.
3872   // At this point, RevisitOnReachabilityChange only contains:
3873   //
3874   // 1. PHIs
3875   // 2. Temporaries that will convert to PHIs
3876   // 3. Operations that are affected by an unreachable edge but do not fit into
3877   // 1 or 2 (rare).
3878   // So it is a slight overshoot of what we want. We could make it exact by
3879   // using two SparseBitVectors per block.
3880   DenseMap<const BasicBlock *, unsigned> ReachablePredCount;
3881   for (auto &KV : ReachableEdges)
3882     ReachablePredCount[KV.getEnd()]++;
3883   for (auto &BBPair : RevisitOnReachabilityChange) {
3884     for (auto InstNum : BBPair.second) {
3885       auto *Inst = InstrFromDFSNum(InstNum);
3886       auto *PHI = dyn_cast<PHINode>(Inst);
3887       PHI = PHI ? PHI : dyn_cast_or_null<PHINode>(RealToTemp.lookup(Inst));
3888       if (!PHI)
3889         continue;
3890       auto *BB = BBPair.first;
3891       if (ReachablePredCount.lookup(BB) != PHI->getNumIncomingValues())
3892         ReplaceUnreachablePHIArgs(PHI, BB);
3893     }
3894   }
3895
3896   // Map to store the use counts
3897   DenseMap<const Value *, unsigned int> UseCounts;
3898   for (auto *CC : reverse(CongruenceClasses)) {
3899     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Eliminating in congruence class " << CC->getID()
3900                       << "\n");
3901     // Track the equivalent store info so we can decide whether to try
3902     // dead store elimination.
3903     SmallVector<ValueDFS, 8> PossibleDeadStores;
3904     SmallPtrSet<Instruction *, 8> ProbablyDead;
3905     if (CC->isDead() || CC->empty())
3906       continue;
3907     // Everything still in the TOP class is unreachable or dead.
3908     if (CC == TOPClass) {
3909       for (auto M : *CC) {
3910         auto *VTE = ValueToExpression.lookup(M);
3911         if (VTE && isa<DeadExpression>(VTE))
3912           markInstructionForDeletion(cast<Instruction>(M));
3913         assert((!ReachableBlocks.count(cast<Instruction>(M)->getParent()) ||
3914                 InstructionsToErase.count(cast<Instruction>(M))) &&
3915                "Everything in TOP should be unreachable or dead at this "
3916                "point");
3917       }
3918       continue;
3919     }
3920
3921     assert(CC->getLeader() && "We should have had a leader");
3922     // If this is a leader that is always available, and it's a
3923     // constant or has no equivalences, just replace everything with
3924     // it. We then update the congruence class with whatever members
3925     // are left.
3926     Value *Leader =
3927         CC->getStoredValue() ? CC->getStoredValue() : CC->getLeader();
3928     if (alwaysAvailable(Leader)) {
3929       CongruenceClass::MemberSet MembersLeft;
3930       for (auto M : *CC) {
3931         Value *Member = M;
3932         // Void things have no uses we can replace.
3933         if (Member == Leader || !isa<Instruction>(Member) ||
3934             Member->getType()->isVoidTy()) {
3935           MembersLeft.insert(Member);
3936           continue;
3937         }
3938         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Found replacement " << *(Leader) << " for "
3939                           << *Member << "\n");
3940         auto *I = cast<Instruction>(Member);
3941         assert(Leader != I && "About to accidentally remove our leader");
3942         replaceInstruction(I, Leader);
3943         AnythingReplaced = true;
3944       }
3945       CC->swap(MembersLeft);
3946     } else {
3947       // If this is a singleton, we can skip it.
3948       if (CC->size() != 1 || RealToTemp.count(Leader)) {
3949         // This is a stack because equality replacement/etc may place
3950         // constants in the middle of the member list, and we want to use
3951         // those constant values in preference to the current leader, over
3952         // the scope of those constants.
3953         ValueDFSStack EliminationStack;
3954
3955         // Convert the members to DFS ordered sets and then merge them.
3956         SmallVector<ValueDFS, 8> DFSOrderedSet;
3957         convertClassToDFSOrdered(*CC, DFSOrderedSet, UseCounts, ProbablyDead);
3958
3959         // Sort the whole thing.
3960         llvm::sort(DFSOrderedSet);
3961         for (auto &VD : DFSOrderedSet) {
3962           int MemberDFSIn = VD.DFSIn;
3963           int MemberDFSOut = VD.DFSOut;
3964           Value *Def = VD.Def.getPointer();
3965           bool FromStore = VD.Def.getInt();
3966           Use *U = VD.U;
3967           // We ignore void things because we can't get a value from them.
3968           if (Def && Def->getType()->isVoidTy())
3969             continue;
3970           auto *DefInst = dyn_cast_or_null<Instruction>(Def);
3971           if (DefInst && AllTempInstructions.count(DefInst)) {
3972             auto *PN = cast<PHINode>(DefInst);
3973
3974             // If this is a value phi and that's the expression we used, insert
3975             // it into the program
3976             // remove from temp instruction list.
3977             AllTempInstructions.erase(PN);
3978             auto *DefBlock = getBlockForValue(Def);
3979             LLVM_DEBUG(dbgs() << "Inserting fully real phi of ops" << *Def
3980                               << " into block "
3981                               << getBlockName(getBlockForValue(Def)) << "\n");
3982             PN->insertBefore(&DefBlock->front());
3983             Def = PN;
3984             NumGVNPHIOfOpsEliminations++;
3985           }
3986
3987           if (EliminationStack.empty()) {
3988             LLVM_DEBUG(dbgs() << "Elimination Stack is empty\n");
3989           } else {
3990             LLVM_DEBUG(dbgs() << "Elimination Stack Top DFS numbers are ("
3991                               << EliminationStack.dfs_back().first << ","
3992                               << EliminationStack.dfs_back().second << ")\n");
3993           }
3994
3995           LLVM_DEBUG(dbgs() << "Current DFS numbers are (" << MemberDFSIn << ","
3996                             << MemberDFSOut << ")\n");
3997           // First, we see if we are out of scope or empty.  If so,
3998           // and there equivalences, we try to replace the top of
3999           // stack with equivalences (if it's on the stack, it must
4000           // not have been eliminated yet).
4001           // Then we synchronize to our current scope, by
4002           // popping until we are back within a DFS scope that
4003           // dominates the current member.
4004           // Then, what happens depends on a few factors
4005           // If the stack is now empty, we need to push
4006           // If we have a constant or a local equivalence we want to
4007           // start using, we also push.
4008           // Otherwise, we walk along, processing members who are
4009           // dominated by this scope, and eliminate them.
4010           bool ShouldPush = Def && EliminationStack.empty();
4011           bool OutOfScope =
4012               !EliminationStack.isInScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4013
4014           if (OutOfScope || ShouldPush) {
4015             // Sync to our current scope.
4016             EliminationStack.popUntilDFSScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4017             bool ShouldPush = Def && EliminationStack.empty();
4018             if (ShouldPush) {
4019               EliminationStack.push_back(Def, MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4020             }
4021           }
4022
4023           // Skip the Def's, we only want to eliminate on their uses.  But mark
4024           // dominated defs as dead.
4025           if (Def) {
4026             // For anything in this case, what and how we value number
4027             // guarantees that any side-effets that would have occurred (ie
4028             // throwing, etc) can be proven to either still occur (because it's
4029             // dominated by something that has the same side-effects), or never
4030             // occur.  Otherwise, we would not have been able to prove it value
4031             // equivalent to something else. For these things, we can just mark
4032             // it all dead.  Note that this is different from the "ProbablyDead"
4033             // set, which may not be dominated by anything, and thus, are only
4034             // easy to prove dead if they are also side-effect free. Note that
4035             // because stores are put in terms of the stored value, we skip
4036             // stored values here. If the stored value is really dead, it will
4037             // still be marked for deletion when we process it in its own class.
4038             if (!EliminationStack.empty() && Def != EliminationStack.back() &&
4039                 isa<Instruction>(Def) && !FromStore)
4040               markInstructionForDeletion(cast<Instruction>(Def));
4041             continue;
4042           }
4043           // At this point, we know it is a Use we are trying to possibly
4044           // replace.
4045
4046           assert(isa<Instruction>(U->get()) &&
4047                  "Current def should have been an instruction");
4048           assert(isa<Instruction>(U->getUser()) &&
4049                  "Current user should have been an instruction");
4050
4051           // If the thing we are replacing into is already marked to be dead,
4052           // this use is dead.  Note that this is true regardless of whether
4053           // we have anything dominating the use or not.  We do this here
4054           // because we are already walking all the uses anyway.
4055           Instruction *InstUse = cast<Instruction>(U->getUser());
4056           if (InstructionsToErase.count(InstUse)) {
4057             auto &UseCount = UseCounts[U->get()];
4058             if (--UseCount == 0) {
4059               ProbablyDead.insert(cast<Instruction>(U->get()));
4060             }
4061           }
4062
4063           // If we get to this point, and the stack is empty we must have a use
4064           // with nothing we can use to eliminate this use, so just skip it.
4065           if (EliminationStack.empty())
4066             continue;
4067
4068           Value *DominatingLeader = EliminationStack.back();
4069
4070           auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(DominatingLeader);
4071           bool isSSACopy = II && II->getIntrinsicID() == Intrinsic::ssa_copy;
4072           if (isSSACopy)
4073             DominatingLeader = II->getOperand(0);
4074
4075           // Don't replace our existing users with ourselves.
4076           if (U->get() == DominatingLeader)
4077             continue;
4078           LLVM_DEBUG(dbgs()
4079                      << "Found replacement " << *DominatingLeader << " for "
4080                      << *U->get() << " in " << *(U->getUser()) << "\n");
4081
4082           // If we replaced something in an instruction, handle the patching of
4083           // metadata.  Skip this if we are replacing predicateinfo with its
4084           // original operand, as we already know we can just drop it.
4085           auto *ReplacedInst = cast<Instruction>(U->get());
4086           auto *PI = PredInfo->getPredicateInfoFor(ReplacedInst);
4087           if (!PI || DominatingLeader != PI->OriginalOp)
4088             patchReplacementInstruction(ReplacedInst, DominatingLeader);
4089           U->set(DominatingLeader);
4090           // This is now a use of the dominating leader, which means if the
4091           // dominating leader was dead, it's now live!
4092           auto &LeaderUseCount = UseCounts[DominatingLeader];
4093           // It's about to be alive again.
4094           if (LeaderUseCount == 0 && isa<Instruction>(DominatingLeader))
4095             ProbablyDead.erase(cast<Instruction>(DominatingLeader));
4096           // For copy instructions, we use their operand as a leader,
4097           // which means we remove a user of the copy and it may become dead.
4098           if (isSSACopy) {
4099             unsigned &IIUseCount = UseCounts[II];
4100             if (--IIUseCount == 0)
4101               ProbablyDead.insert(II);
4102           }
4103           ++LeaderUseCount;
4104           AnythingReplaced = true;
4105         }
4106       }
4107     }
4108
4109     // At this point, anything still in the ProbablyDead set is actually dead if
4110     // would be trivially dead.
4111     for (auto *I : ProbablyDead)
4112       if (wouldInstructionBeTriviallyDead(I))
4113         markInstructionForDeletion(I);
4114
4115     // Cleanup the congruence class.
4116     CongruenceClass::MemberSet MembersLeft;
4117     for (auto *Member : *CC)
4118       if (!isa<Instruction>(Member) ||
4119           !InstructionsToErase.count(cast<Instruction>(Member)))
4120         MembersLeft.insert(Member);
4121     CC->swap(MembersLeft);
4122
4123     // If we have possible dead stores to look at, try to eliminate them.
4124     if (CC->getStoreCount() > 0) {
4125       convertClassToLoadsAndStores(*CC, PossibleDeadStores);
4126       llvm::sort(PossibleDeadStores);
4127       ValueDFSStack EliminationStack;
4128       for (auto &VD : PossibleDeadStores) {
4129         int MemberDFSIn = VD.DFSIn;
4130         int MemberDFSOut = VD.DFSOut;
4131         Instruction *Member = cast<Instruction>(VD.Def.getPointer());
4132         if (EliminationStack.empty() ||
4133             !EliminationStack.isInScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut)) {
4134           // Sync to our current scope.
4135           EliminationStack.popUntilDFSScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4136           if (EliminationStack.empty()) {
4137             EliminationStack.push_back(Member, MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4138             continue;
4139           }
4140         }
4141         // We already did load elimination, so nothing to do here.
4142         if (isa<LoadInst>(Member))
4143           continue;
4144         assert(!EliminationStack.empty());
4145         Instruction *Leader = cast<Instruction>(EliminationStack.back());
4146         (void)Leader;
4147         assert(DT->dominates(Leader->getParent(), Member->getParent()));
4148         // Member is dominater by Leader, and thus dead
4149         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Marking dead store " << *Member
4150                           << " that is dominated by " << *Leader << "\n");
4151         markInstructionForDeletion(Member);
4152         CC->erase(Member);
4153         ++NumGVNDeadStores;
4154       }
4155     }
4156   }
4157   return AnythingReplaced;
4158 }
4159
4160 // This function provides global ranking of operations so that we can place them
4161 // in a canonical order.  Note that rank alone is not necessarily enough for a
4162 // complete ordering, as constants all have the same rank.  However, generally,
4163 // we will simplify an operation with all constants so that it doesn't matter
4164 // what order they appear in.
4165 unsigned int NewGVN::getRank(const Value *V) const {
4166   // Prefer constants to undef to anything else
4167   // Undef is a constant, have to check it first.
4168   // Prefer smaller constants to constantexprs
4169   if (isa<ConstantExpr>(V))
4170     return 2;
4171   if (isa<UndefValue>(V))
4172     return 1;
4173   if (isa<Constant>(V))
4174     return 0;
4175   else if (auto *A = dyn_cast<Argument>(V))
4176     return 3 + A->getArgNo();
4177
4178   // Need to shift the instruction DFS by number of arguments + 3 to account for
4179   // the constant and argument ranking above.
4180   unsigned Result = InstrToDFSNum(V);
4181   if (Result > 0)
4182     return 4 + NumFuncArgs + Result;
4183   // Unreachable or something else, just return a really large number.
4184   return ~0;
4185 }
4186
4187 // This is a function that says whether two commutative operations should
4188 // have their order swapped when canonicalizing.
4189 bool NewGVN::shouldSwapOperands(const Value *A, const Value *B) const {
4190   // Because we only care about a total ordering, and don't rewrite expressions
4191   // in this order, we order by rank, which will give a strict weak ordering to
4192   // everything but constants, and then we order by pointer address.
4193   return std::make_pair(getRank(A), A) > std::make_pair(getRank(B), B);
4194 }
4195
4196 namespace {
4197
4198 class NewGVNLegacyPass : public FunctionPass {
4199 public:
4200   // Pass identification, replacement for typeid.
4201   static char ID;
4202
4203   NewGVNLegacyPass() : FunctionPass(ID) {
4204     initializeNewGVNLegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
4205   }
4206
4207   bool runOnFunction(Function &F) override;
4208
4209 private:
4210   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
4211     AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
4212     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
4213     AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
4214     AU.addRequired<MemorySSAWrapperPass>();
4215     AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
4216     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
4217     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
4218   }
4219 };
4220
4221 } // end anonymous namespace
4222
4223 bool NewGVNLegacyPass::runOnFunction(Function &F) {
4224   if (skipFunction(F))
4225     return false;
4226   return NewGVN(F, &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree(),
4227                 &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F),
4228                 &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI(),
4229                 &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults(),
4230                 &getAnalysis<MemorySSAWrapperPass>().getMSSA(),
4231                 F.getParent()->getDataLayout())
4232       .runGVN();
4233 }
4234
4235 char NewGVNLegacyPass::ID = 0;
4236
4237 INITIALIZE_PASS_BEGIN(NewGVNLegacyPass, "newgvn", "Global Value Numbering",
4238                       false, false)
4239 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
4240 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MemorySSAWrapperPass)
4241 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
4242 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
4243 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AAResultsWrapperPass)
4244 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(GlobalsAAWrapperPass)
4245 INITIALIZE_PASS_END(NewGVNLegacyPass, "newgvn", "Global Value Numbering", false,
4246                     false)
4247
4248 // createGVNPass - The public interface to this file.
4249 FunctionPass *llvm::createNewGVNPass() { return new NewGVNLegacyPass(); }
4250
4251 PreservedAnalyses NewGVNPass::run(Function &F, AnalysisManager<Function> &AM) {
4252   // Apparently the order in which we get these results matter for
4253   // the old GVN (see Chandler's comment in GVN.cpp). I'll keep
4254   // the same order here, just in case.
4255   auto &AC = AM.getResult<AssumptionAnalysis>(F);
4256   auto &DT = AM.getResult<DominatorTreeAnalysis>(F);
4257   auto &TLI = AM.getResult<TargetLibraryAnalysis>(F);
4258   auto &AA = AM.getResult<AAManager>(F);
4259   auto &MSSA = AM.getResult<MemorySSAAnalysis>(F).getMSSA();
4260   bool Changed =
4261       NewGVN(F, &DT, &AC, &TLI, &AA, &MSSA, F.getParent()->getDataLayout())
4262           .runGVN();
4263   if (!Changed)
4264     return PreservedAnalyses::all();
4265   PreservedAnalyses PA;
4266   PA.preserve<DominatorTreeAnalysis>();
4267   PA.preserve<GlobalsAA>();
4268   return PA;
4269 }