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2f3dca3d23fa6c9278bdccb94c5350c9c3c990d5
[android-x86/external-llvm.git] / lib / Analysis / LoopAccessAnalysis.cpp
1 //===- LoopAccessAnalysis.cpp - Loop Access Analysis Implementation --------==//
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 // The implementation for the loop memory dependence that was originally
11 // developed for the loop vectorizer.
12 //
13 //===----------------------------------------------------------------------===//
14
15 #include "llvm/ADT/APInt.h"
16 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
17 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
18 #include "llvm/ADT/EquivalenceClasses.h"
19 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
20 #include "llvm/ADT/PointerIntPair.h"
21 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
22 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
23 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
24 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
25 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
26 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
27 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
28 #include "llvm/Analysis/LoopAccessAnalysis.h"
29 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
30 #include "llvm/Analysis/LoopPassManager.h"
31 #include "llvm/Analysis/MemoryLocation.h"
32 #include "llvm/Analysis/OptimizationDiagnosticInfo.h"
33 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
34 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
35 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
36 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
37 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
38 #include "llvm/Analysis/VectorUtils.h"
39 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
40 #include "llvm/IR/Constants.h"
41 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
42 #include "llvm/IR/DebugLoc.h"
43 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
44 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
45 #include "llvm/IR/Dominators.h"
46 #include "llvm/IR/Function.h"
47 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
48 #include "llvm/IR/Instruction.h"
49 #include "llvm/IR/Instructions.h"
50 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
51 #include "llvm/IR/Operator.h"
52 #include "llvm/IR/PassManager.h"
53 #include "llvm/IR/Type.h"
54 #include "llvm/IR/Value.h"
55 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
56 #include "llvm/Pass.h"
57 #include "llvm/Support/Casting.h"
58 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
59 #include "llvm/Support/Debug.h"
60 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
61 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
62 #include <algorithm>
63 #include <cassert>
64 #include <cstdint>
65 #include <cstdlib>
66 #include <iterator>
67 #include <utility>
68 #include <vector>
69
70 using namespace llvm;
71
72 #define DEBUG_TYPE "loop-accesses"
73
74 static cl::opt<unsigned, true>
75 VectorizationFactor("force-vector-width", cl::Hidden,
76                     cl::desc("Sets the SIMD width. Zero is autoselect."),
77                     cl::location(VectorizerParams::VectorizationFactor));
78 unsigned VectorizerParams::VectorizationFactor;
79
80 static cl::opt<unsigned, true>
81 VectorizationInterleave("force-vector-interleave", cl::Hidden,
82                         cl::desc("Sets the vectorization interleave count. "
83                                  "Zero is autoselect."),
84                         cl::location(
85                             VectorizerParams::VectorizationInterleave));
86 unsigned VectorizerParams::VectorizationInterleave;
87
88 static cl::opt<unsigned, true> RuntimeMemoryCheckThreshold(
89     "runtime-memory-check-threshold", cl::Hidden,
90     cl::desc("When performing memory disambiguation checks at runtime do not "
91              "generate more than this number of comparisons (default = 8)."),
92     cl::location(VectorizerParams::RuntimeMemoryCheckThreshold), cl::init(8));
93 unsigned VectorizerParams::RuntimeMemoryCheckThreshold;
94
95 /// \brief The maximum iterations used to merge memory checks
96 static cl::opt<unsigned> MemoryCheckMergeThreshold(
97     "memory-check-merge-threshold", cl::Hidden,
98     cl::desc("Maximum number of comparisons done when trying to merge "
99              "runtime memory checks. (default = 100)"),
100     cl::init(100));
101
102 /// Maximum SIMD width.
103 const unsigned VectorizerParams::MaxVectorWidth = 64;
104
105 /// \brief We collect dependences up to this threshold.
106 static cl::opt<unsigned>
107     MaxDependences("max-dependences", cl::Hidden,
108                    cl::desc("Maximum number of dependences collected by "
109                             "loop-access analysis (default = 100)"),
110                    cl::init(100));
111
112 /// This enables versioning on the strides of symbolically striding memory
113 /// accesses in code like the following.
114 ///   for (i = 0; i < N; ++i)
115 ///     A[i * Stride1] += B[i * Stride2] ...
116 ///
117 /// Will be roughly translated to
118 ///    if (Stride1 == 1 && Stride2 == 1) {
119 ///      for (i = 0; i < N; i+=4)
120 ///       A[i:i+3] += ...
121 ///    } else
122 ///      ...
123 static cl::opt<bool> EnableMemAccessVersioning(
124     "enable-mem-access-versioning", cl::init(true), cl::Hidden,
125     cl::desc("Enable symbolic stride memory access versioning"));
126
127 /// \brief Enable store-to-load forwarding conflict detection. This option can
128 /// be disabled for correctness testing.
129 static cl::opt<bool> EnableForwardingConflictDetection(
130     "store-to-load-forwarding-conflict-detection", cl::Hidden,
131     cl::desc("Enable conflict detection in loop-access analysis"),
132     cl::init(true));
133
134 bool VectorizerParams::isInterleaveForced() {
135   return ::VectorizationInterleave.getNumOccurrences() > 0;
136 }
137
138 void LoopAccessReport::emitAnalysis(const LoopAccessReport &Message,
139                                     const Loop *TheLoop, const char *PassName,
140                                     OptimizationRemarkEmitter &ORE) {
141   DebugLoc DL = TheLoop->getStartLoc();
142   const Value *V = TheLoop->getHeader();
143   if (const Instruction *I = Message.getInstr()) {
144     // If there is no debug location attached to the instruction, revert back to
145     // using the loop's.
146     if (I->getDebugLoc())
147       DL = I->getDebugLoc();
148     V = I->getParent();
149   }
150   ORE.emitOptimizationRemarkAnalysis(PassName, DL, V, Message.str());
151 }
152
153 Value *llvm::stripIntegerCast(Value *V) {
154   if (auto *CI = dyn_cast<CastInst>(V))
155     if (CI->getOperand(0)->getType()->isIntegerTy())
156       return CI->getOperand(0);
157   return V;
158 }
159
160 const SCEV *llvm::replaceSymbolicStrideSCEV(PredicatedScalarEvolution &PSE,
161                                             const ValueToValueMap &PtrToStride,
162                                             Value *Ptr, Value *OrigPtr) {
163   const SCEV *OrigSCEV = PSE.getSCEV(Ptr);
164
165   // If there is an entry in the map return the SCEV of the pointer with the
166   // symbolic stride replaced by one.
167   ValueToValueMap::const_iterator SI =
168       PtrToStride.find(OrigPtr ? OrigPtr : Ptr);
169   if (SI != PtrToStride.end()) {
170     Value *StrideVal = SI->second;
171
172     // Strip casts.
173     StrideVal = stripIntegerCast(StrideVal);
174
175     // Replace symbolic stride by one.
176     Value *One = ConstantInt::get(StrideVal->getType(), 1);
177     ValueToValueMap RewriteMap;
178     RewriteMap[StrideVal] = One;
179
180     ScalarEvolution *SE = PSE.getSE();
181     const auto *U = cast<SCEVUnknown>(SE->getSCEV(StrideVal));
182     const auto *CT =
183         static_cast<const SCEVConstant *>(SE->getOne(StrideVal->getType()));
184
185     PSE.addPredicate(*SE->getEqualPredicate(U, CT));
186     auto *Expr = PSE.getSCEV(Ptr);
187
188     DEBUG(dbgs() << "LAA: Replacing SCEV: " << *OrigSCEV << " by: " << *Expr
189                  << "\n");
190     return Expr;
191   }
192
193   // Otherwise, just return the SCEV of the original pointer.
194   return OrigSCEV;
195 }
196
197 /// Calculate Start and End points of memory access.
198 /// Let's assume A is the first access and B is a memory access on N-th loop
199 /// iteration. Then B is calculated as:  
200 ///   B = A + Step*N . 
201 /// Step value may be positive or negative.
202 /// N is a calculated back-edge taken count:
203 ///     N = (TripCount > 0) ? RoundDown(TripCount -1 , VF) : 0
204 /// Start and End points are calculated in the following way:
205 /// Start = UMIN(A, B) ; End = UMAX(A, B) + SizeOfElt,
206 /// where SizeOfElt is the size of single memory access in bytes.
207 ///
208 /// There is no conflict when the intervals are disjoint:
209 /// NoConflict = (P2.Start >= P1.End) || (P1.Start >= P2.End)
210 void RuntimePointerChecking::insert(Loop *Lp, Value *Ptr, bool WritePtr,
211                                     unsigned DepSetId, unsigned ASId,
212                                     const ValueToValueMap &Strides,
213                                     PredicatedScalarEvolution &PSE) {
214   // Get the stride replaced scev.
215   const SCEV *Sc = replaceSymbolicStrideSCEV(PSE, Strides, Ptr);
216   ScalarEvolution *SE = PSE.getSE();
217
218   const SCEV *ScStart;
219   const SCEV *ScEnd;
220
221   if (SE->isLoopInvariant(Sc, Lp))
222     ScStart = ScEnd = Sc;
223   else {
224     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Sc);
225     assert(AR && "Invalid addrec expression");
226     const SCEV *Ex = PSE.getBackedgeTakenCount();
227
228     ScStart = AR->getStart();
229     ScEnd = AR->evaluateAtIteration(Ex, *SE);
230     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
231
232     // For expressions with negative step, the upper bound is ScStart and the
233     // lower bound is ScEnd.
234     if (const auto *CStep = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
235       if (CStep->getValue()->isNegative())
236         std::swap(ScStart, ScEnd);
237     } else {
238       // Fallback case: the step is not constant, but we can still
239       // get the upper and lower bounds of the interval by using min/max
240       // expressions.
241       ScStart = SE->getUMinExpr(ScStart, ScEnd);
242       ScEnd = SE->getUMaxExpr(AR->getStart(), ScEnd);
243     }
244     // Add the size of the pointed element to ScEnd.
245     unsigned EltSize =
246       Ptr->getType()->getPointerElementType()->getScalarSizeInBits() / 8;
247     const SCEV *EltSizeSCEV = SE->getConstant(ScEnd->getType(), EltSize);
248     ScEnd = SE->getAddExpr(ScEnd, EltSizeSCEV);
249   }
250
251   Pointers.emplace_back(Ptr, ScStart, ScEnd, WritePtr, DepSetId, ASId, Sc);
252 }
253
254 SmallVector<RuntimePointerChecking::PointerCheck, 4>
255 RuntimePointerChecking::generateChecks() const {
256   SmallVector<PointerCheck, 4> Checks;
257
258   for (unsigned I = 0; I < CheckingGroups.size(); ++I) {
259     for (unsigned J = I + 1; J < CheckingGroups.size(); ++J) {
260       const RuntimePointerChecking::CheckingPtrGroup &CGI = CheckingGroups[I];
261       const RuntimePointerChecking::CheckingPtrGroup &CGJ = CheckingGroups[J];
262
263       if (needsChecking(CGI, CGJ))
264         Checks.push_back(std::make_pair(&CGI, &CGJ));
265     }
266   }
267   return Checks;
268 }
269
270 void RuntimePointerChecking::generateChecks(
271     MemoryDepChecker::DepCandidates &DepCands, bool UseDependencies) {
272   assert(Checks.empty() && "Checks is not empty");
273   groupChecks(DepCands, UseDependencies);
274   Checks = generateChecks();
275 }
276
277 bool RuntimePointerChecking::needsChecking(const CheckingPtrGroup &M,
278                                            const CheckingPtrGroup &N) const {
279   for (unsigned I = 0, EI = M.Members.size(); EI != I; ++I)
280     for (unsigned J = 0, EJ = N.Members.size(); EJ != J; ++J)
281       if (needsChecking(M.Members[I], N.Members[J]))
282         return true;
283   return false;
284 }
285
286 /// Compare \p I and \p J and return the minimum.
287 /// Return nullptr in case we couldn't find an answer.
288 static const SCEV *getMinFromExprs(const SCEV *I, const SCEV *J,
289                                    ScalarEvolution *SE) {
290   const SCEV *Diff = SE->getMinusSCEV(J, I);
291   const SCEVConstant *C = dyn_cast<const SCEVConstant>(Diff);
292
293   if (!C)
294     return nullptr;
295   if (C->getValue()->isNegative())
296     return J;
297   return I;
298 }
299
300 bool RuntimePointerChecking::CheckingPtrGroup::addPointer(unsigned Index) {
301   const SCEV *Start = RtCheck.Pointers[Index].Start;
302   const SCEV *End = RtCheck.Pointers[Index].End;
303
304   // Compare the starts and ends with the known minimum and maximum
305   // of this set. We need to know how we compare against the min/max
306   // of the set in order to be able to emit memchecks.
307   const SCEV *Min0 = getMinFromExprs(Start, Low, RtCheck.SE);
308   if (!Min0)
309     return false;
310
311   const SCEV *Min1 = getMinFromExprs(End, High, RtCheck.SE);
312   if (!Min1)
313     return false;
314
315   // Update the low bound  expression if we've found a new min value.
316   if (Min0 == Start)
317     Low = Start;
318
319   // Update the high bound expression if we've found a new max value.
320   if (Min1 != End)
321     High = End;
322
323   Members.push_back(Index);
324   return true;
325 }
326
327 void RuntimePointerChecking::groupChecks(
328     MemoryDepChecker::DepCandidates &DepCands, bool UseDependencies) {
329   // We build the groups from dependency candidates equivalence classes
330   // because:
331   //    - We know that pointers in the same equivalence class share
332   //      the same underlying object and therefore there is a chance
333   //      that we can compare pointers
334   //    - We wouldn't be able to merge two pointers for which we need
335   //      to emit a memcheck. The classes in DepCands are already
336   //      conveniently built such that no two pointers in the same
337   //      class need checking against each other.
338
339   // We use the following (greedy) algorithm to construct the groups
340   // For every pointer in the equivalence class:
341   //   For each existing group:
342   //   - if the difference between this pointer and the min/max bounds
343   //     of the group is a constant, then make the pointer part of the
344   //     group and update the min/max bounds of that group as required.
345
346   CheckingGroups.clear();
347
348   // If we need to check two pointers to the same underlying object
349   // with a non-constant difference, we shouldn't perform any pointer
350   // grouping with those pointers. This is because we can easily get
351   // into cases where the resulting check would return false, even when
352   // the accesses are safe.
353   //
354   // The following example shows this:
355   // for (i = 0; i < 1000; ++i)
356   //   a[5000 + i * m] = a[i] + a[i + 9000]
357   //
358   // Here grouping gives a check of (5000, 5000 + 1000 * m) against
359   // (0, 10000) which is always false. However, if m is 1, there is no
360   // dependence. Not grouping the checks for a[i] and a[i + 9000] allows
361   // us to perform an accurate check in this case.
362   //
363   // The above case requires that we have an UnknownDependence between
364   // accesses to the same underlying object. This cannot happen unless
365   // ShouldRetryWithRuntimeCheck is set, and therefore UseDependencies
366   // is also false. In this case we will use the fallback path and create
367   // separate checking groups for all pointers.
368
369   // If we don't have the dependency partitions, construct a new
370   // checking pointer group for each pointer. This is also required
371   // for correctness, because in this case we can have checking between
372   // pointers to the same underlying object.
373   if (!UseDependencies) {
374     for (unsigned I = 0; I < Pointers.size(); ++I)
375       CheckingGroups.push_back(CheckingPtrGroup(I, *this));
376     return;
377   }
378
379   unsigned TotalComparisons = 0;
380
381   DenseMap<Value *, unsigned> PositionMap;
382   for (unsigned Index = 0; Index < Pointers.size(); ++Index)
383     PositionMap[Pointers[Index].PointerValue] = Index;
384
385   // We need to keep track of what pointers we've already seen so we
386   // don't process them twice.
387   SmallSet<unsigned, 2> Seen;
388
389   // Go through all equivalence classes, get the "pointer check groups"
390   // and add them to the overall solution. We use the order in which accesses
391   // appear in 'Pointers' to enforce determinism.
392   for (unsigned I = 0; I < Pointers.size(); ++I) {
393     // We've seen this pointer before, and therefore already processed
394     // its equivalence class.
395     if (Seen.count(I))
396       continue;
397
398     MemoryDepChecker::MemAccessInfo Access(Pointers[I].PointerValue,
399                                            Pointers[I].IsWritePtr);
400
401     SmallVector<CheckingPtrGroup, 2> Groups;
402     auto LeaderI = DepCands.findValue(DepCands.getLeaderValue(Access));
403
404     // Because DepCands is constructed by visiting accesses in the order in
405     // which they appear in alias sets (which is deterministic) and the
406     // iteration order within an equivalence class member is only dependent on
407     // the order in which unions and insertions are performed on the
408     // equivalence class, the iteration order is deterministic.
409     for (auto MI = DepCands.member_begin(LeaderI), ME = DepCands.member_end();
410          MI != ME; ++MI) {
411       unsigned Pointer = PositionMap[MI->getPointer()];
412       bool Merged = false;
413       // Mark this pointer as seen.
414       Seen.insert(Pointer);
415
416       // Go through all the existing sets and see if we can find one
417       // which can include this pointer.
418       for (CheckingPtrGroup &Group : Groups) {
419         // Don't perform more than a certain amount of comparisons.
420         // This should limit the cost of grouping the pointers to something
421         // reasonable.  If we do end up hitting this threshold, the algorithm
422         // will create separate groups for all remaining pointers.
423         if (TotalComparisons > MemoryCheckMergeThreshold)
424           break;
425
426         TotalComparisons++;
427
428         if (Group.addPointer(Pointer)) {
429           Merged = true;
430           break;
431         }
432       }
433
434       if (!Merged)
435         // We couldn't add this pointer to any existing set or the threshold
436         // for the number of comparisons has been reached. Create a new group
437         // to hold the current pointer.
438         Groups.push_back(CheckingPtrGroup(Pointer, *this));
439     }
440
441     // We've computed the grouped checks for this partition.
442     // Save the results and continue with the next one.
443     std::copy(Groups.begin(), Groups.end(), std::back_inserter(CheckingGroups));
444   }
445 }
446
447 bool RuntimePointerChecking::arePointersInSamePartition(
448     const SmallVectorImpl<int> &PtrToPartition, unsigned PtrIdx1,
449     unsigned PtrIdx2) {
450   return (PtrToPartition[PtrIdx1] != -1 &&
451           PtrToPartition[PtrIdx1] == PtrToPartition[PtrIdx2]);
452 }
453
454 bool RuntimePointerChecking::needsChecking(unsigned I, unsigned J) const {
455   const PointerInfo &PointerI = Pointers[I];
456   const PointerInfo &PointerJ = Pointers[J];
457
458   // No need to check if two readonly pointers intersect.
459   if (!PointerI.IsWritePtr && !PointerJ.IsWritePtr)
460     return false;
461
462   // Only need to check pointers between two different dependency sets.
463   if (PointerI.DependencySetId == PointerJ.DependencySetId)
464     return false;
465
466   // Only need to check pointers in the same alias set.
467   if (PointerI.AliasSetId != PointerJ.AliasSetId)
468     return false;
469
470   return true;
471 }
472
473 void RuntimePointerChecking::printChecks(
474     raw_ostream &OS, const SmallVectorImpl<PointerCheck> &Checks,
475     unsigned Depth) const {
476   unsigned N = 0;
477   for (const auto &Check : Checks) {
478     const auto &First = Check.first->Members, &Second = Check.second->Members;
479
480     OS.indent(Depth) << "Check " << N++ << ":\n";
481
482     OS.indent(Depth + 2) << "Comparing group (" << Check.first << "):\n";
483     for (unsigned K = 0; K < First.size(); ++K)
484       OS.indent(Depth + 2) << *Pointers[First[K]].PointerValue << "\n";
485
486     OS.indent(Depth + 2) << "Against group (" << Check.second << "):\n";
487     for (unsigned K = 0; K < Second.size(); ++K)
488       OS.indent(Depth + 2) << *Pointers[Second[K]].PointerValue << "\n";
489   }
490 }
491
492 void RuntimePointerChecking::print(raw_ostream &OS, unsigned Depth) const {
493
494   OS.indent(Depth) << "Run-time memory checks:\n";
495   printChecks(OS, Checks, Depth);
496
497   OS.indent(Depth) << "Grouped accesses:\n";
498   for (unsigned I = 0; I < CheckingGroups.size(); ++I) {
499     const auto &CG = CheckingGroups[I];
500
501     OS.indent(Depth + 2) << "Group " << &CG << ":\n";
502     OS.indent(Depth + 4) << "(Low: " << *CG.Low << " High: " << *CG.High
503                          << ")\n";
504     for (unsigned J = 0; J < CG.Members.size(); ++J) {
505       OS.indent(Depth + 6) << "Member: " << *Pointers[CG.Members[J]].Expr
506                            << "\n";
507     }
508   }
509 }
510
511 namespace {
512
513 /// \brief Analyses memory accesses in a loop.
514 ///
515 /// Checks whether run time pointer checks are needed and builds sets for data
516 /// dependence checking.
517 class AccessAnalysis {
518 public:
519   /// \brief Read or write access location.
520   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
521   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
522
523   AccessAnalysis(const DataLayout &Dl, AliasAnalysis *AA, LoopInfo *LI,
524                  MemoryDepChecker::DepCandidates &DA,
525                  PredicatedScalarEvolution &PSE)
526       : DL(Dl), AST(*AA), LI(LI), DepCands(DA), IsRTCheckAnalysisNeeded(false),
527         PSE(PSE) {}
528
529   /// \brief Register a load  and whether it is only read from.
530   void addLoad(MemoryLocation &Loc, bool IsReadOnly) {
531     Value *Ptr = const_cast<Value*>(Loc.Ptr);
532     AST.add(Ptr, MemoryLocation::UnknownSize, Loc.AATags);
533     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, false));
534     if (IsReadOnly)
535       ReadOnlyPtr.insert(Ptr);
536   }
537
538   /// \brief Register a store.
539   void addStore(MemoryLocation &Loc) {
540     Value *Ptr = const_cast<Value*>(Loc.Ptr);
541     AST.add(Ptr, MemoryLocation::UnknownSize, Loc.AATags);
542     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, true));
543   }
544
545   /// \brief Check whether we can check the pointers at runtime for
546   /// non-intersection.
547   ///
548   /// Returns true if we need no check or if we do and we can generate them
549   /// (i.e. the pointers have computable bounds).
550   bool canCheckPtrAtRT(RuntimePointerChecking &RtCheck, ScalarEvolution *SE,
551                        Loop *TheLoop, const ValueToValueMap &Strides,
552                        bool ShouldCheckWrap = false);
553
554   /// \brief Goes over all memory accesses, checks whether a RT check is needed
555   /// and builds sets of dependent accesses.
556   void buildDependenceSets() {
557     processMemAccesses();
558   }
559
560   /// \brief Initial processing of memory accesses determined that we need to
561   /// perform dependency checking.
562   ///
563   /// Note that this can later be cleared if we retry memcheck analysis without
564   /// dependency checking (i.e. ShouldRetryWithRuntimeCheck).
565   bool isDependencyCheckNeeded() { return !CheckDeps.empty(); }
566
567   /// We decided that no dependence analysis would be used.  Reset the state.
568   void resetDepChecks(MemoryDepChecker &DepChecker) {
569     CheckDeps.clear();
570     DepChecker.clearDependences();
571   }
572
573   MemAccessInfoSet &getDependenciesToCheck() { return CheckDeps; }
574
575 private:
576   typedef SetVector<MemAccessInfo> PtrAccessSet;
577
578   /// \brief Go over all memory access and check whether runtime pointer checks
579   /// are needed and build sets of dependency check candidates.
580   void processMemAccesses();
581
582   /// Set of all accesses.
583   PtrAccessSet Accesses;
584
585   const DataLayout &DL;
586
587   /// Set of accesses that need a further dependence check.
588   MemAccessInfoSet CheckDeps;
589
590   /// Set of pointers that are read only.
591   SmallPtrSet<Value*, 16> ReadOnlyPtr;
592
593   /// An alias set tracker to partition the access set by underlying object and
594   //intrinsic property (such as TBAA metadata).
595   AliasSetTracker AST;
596
597   LoopInfo *LI;
598
599   /// Sets of potentially dependent accesses - members of one set share an
600   /// underlying pointer. The set "CheckDeps" identfies which sets really need a
601   /// dependence check.
602   MemoryDepChecker::DepCandidates &DepCands;
603
604   /// \brief Initial processing of memory accesses determined that we may need
605   /// to add memchecks.  Perform the analysis to determine the necessary checks.
606   ///
607   /// Note that, this is different from isDependencyCheckNeeded.  When we retry
608   /// memcheck analysis without dependency checking
609   /// (i.e. ShouldRetryWithRuntimeCheck), isDependencyCheckNeeded is cleared
610   /// while this remains set if we have potentially dependent accesses.
611   bool IsRTCheckAnalysisNeeded;
612
613   /// The SCEV predicate containing all the SCEV-related assumptions.
614   PredicatedScalarEvolution &PSE;
615 };
616
617 } // end anonymous namespace
618
619 /// \brief Check whether a pointer can participate in a runtime bounds check.
620 static bool hasComputableBounds(PredicatedScalarEvolution &PSE,
621                                 const ValueToValueMap &Strides, Value *Ptr,
622                                 Loop *L) {
623   const SCEV *PtrScev = replaceSymbolicStrideSCEV(PSE, Strides, Ptr);
624
625   // The bounds for loop-invariant pointer is trivial.
626   if (PSE.getSE()->isLoopInvariant(PtrScev, L))
627     return true;
628
629   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
630   if (!AR)
631     return false;
632
633   return AR->isAffine();
634 }
635
636 /// \brief Check whether a pointer address cannot wrap.
637 static bool isNoWrap(PredicatedScalarEvolution &PSE,
638                      const ValueToValueMap &Strides, Value *Ptr, Loop *L) {
639   const SCEV *PtrScev = PSE.getSCEV(Ptr);
640   if (PSE.getSE()->isLoopInvariant(PtrScev, L))
641     return true;
642
643   int64_t Stride = getPtrStride(PSE, Ptr, L, Strides);
644   return Stride == 1;
645 }
646
647 bool AccessAnalysis::canCheckPtrAtRT(RuntimePointerChecking &RtCheck,
648                                      ScalarEvolution *SE, Loop *TheLoop,
649                                      const ValueToValueMap &StridesMap,
650                                      bool ShouldCheckWrap) {
651   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
652   // to place a runtime bound check.
653   bool CanDoRT = true;
654
655   bool NeedRTCheck = false;
656   if (!IsRTCheckAnalysisNeeded) return true;
657
658   bool IsDepCheckNeeded = isDependencyCheckNeeded();
659
660   // We assign a consecutive id to access from different alias sets.
661   // Accesses between different groups doesn't need to be checked.
662   unsigned ASId = 1;
663   for (auto &AS : AST) {
664     int NumReadPtrChecks = 0;
665     int NumWritePtrChecks = 0;
666
667     // We assign consecutive id to access from different dependence sets.
668     // Accesses within the same set don't need a runtime check.
669     unsigned RunningDepId = 1;
670     DenseMap<Value *, unsigned> DepSetId;
671
672     for (auto A : AS) {
673       Value *Ptr = A.getValue();
674       bool IsWrite = Accesses.count(MemAccessInfo(Ptr, true));
675       MemAccessInfo Access(Ptr, IsWrite);
676
677       if (IsWrite)
678         ++NumWritePtrChecks;
679       else
680         ++NumReadPtrChecks;
681
682       if (hasComputableBounds(PSE, StridesMap, Ptr, TheLoop) &&
683           // When we run after a failing dependency check we have to make sure
684           // we don't have wrapping pointers.
685           (!ShouldCheckWrap || isNoWrap(PSE, StridesMap, Ptr, TheLoop))) {
686         // The id of the dependence set.
687         unsigned DepId;
688
689         if (IsDepCheckNeeded) {
690           Value *Leader = DepCands.getLeaderValue(Access).getPointer();
691           unsigned &LeaderId = DepSetId[Leader];
692           if (!LeaderId)
693             LeaderId = RunningDepId++;
694           DepId = LeaderId;
695         } else
696           // Each access has its own dependence set.
697           DepId = RunningDepId++;
698
699         RtCheck.insert(TheLoop, Ptr, IsWrite, DepId, ASId, StridesMap, PSE);
700
701         DEBUG(dbgs() << "LAA: Found a runtime check ptr:" << *Ptr << '\n');
702       } else {
703         DEBUG(dbgs() << "LAA: Can't find bounds for ptr:" << *Ptr << '\n');
704         CanDoRT = false;
705       }
706     }
707
708     // If we have at least two writes or one write and a read then we need to
709     // check them.  But there is no need to checks if there is only one
710     // dependence set for this alias set.
711     //
712     // Note that this function computes CanDoRT and NeedRTCheck independently.
713     // For example CanDoRT=false, NeedRTCheck=false means that we have a pointer
714     // for which we couldn't find the bounds but we don't actually need to emit
715     // any checks so it does not matter.
716     if (!(IsDepCheckNeeded && CanDoRT && RunningDepId == 2))
717       NeedRTCheck |= (NumWritePtrChecks >= 2 || (NumReadPtrChecks >= 1 &&
718                                                  NumWritePtrChecks >= 1));
719
720     ++ASId;
721   }
722
723   // If the pointers that we would use for the bounds comparison have different
724   // address spaces, assume the values aren't directly comparable, so we can't
725   // use them for the runtime check. We also have to assume they could
726   // overlap. In the future there should be metadata for whether address spaces
727   // are disjoint.
728   unsigned NumPointers = RtCheck.Pointers.size();
729   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
730     for (unsigned j = i + 1; j < NumPointers; ++j) {
731       // Only need to check pointers between two different dependency sets.
732       if (RtCheck.Pointers[i].DependencySetId ==
733           RtCheck.Pointers[j].DependencySetId)
734        continue;
735       // Only need to check pointers in the same alias set.
736       if (RtCheck.Pointers[i].AliasSetId != RtCheck.Pointers[j].AliasSetId)
737         continue;
738
739       Value *PtrI = RtCheck.Pointers[i].PointerValue;
740       Value *PtrJ = RtCheck.Pointers[j].PointerValue;
741
742       unsigned ASi = PtrI->getType()->getPointerAddressSpace();
743       unsigned ASj = PtrJ->getType()->getPointerAddressSpace();
744       if (ASi != ASj) {
745         DEBUG(dbgs() << "LAA: Runtime check would require comparison between"
746                        " different address spaces\n");
747         return false;
748       }
749     }
750   }
751
752   if (NeedRTCheck && CanDoRT)
753     RtCheck.generateChecks(DepCands, IsDepCheckNeeded);
754
755   DEBUG(dbgs() << "LAA: We need to do " << RtCheck.getNumberOfChecks()
756                << " pointer comparisons.\n");
757
758   RtCheck.Need = NeedRTCheck;
759
760   bool CanDoRTIfNeeded = !NeedRTCheck || CanDoRT;
761   if (!CanDoRTIfNeeded)
762     RtCheck.reset();
763   return CanDoRTIfNeeded;
764 }
765
766 void AccessAnalysis::processMemAccesses() {
767   // We process the set twice: first we process read-write pointers, last we
768   // process read-only pointers. This allows us to skip dependence tests for
769   // read-only pointers.
770
771   DEBUG(dbgs() << "LAA: Processing memory accesses...\n");
772   DEBUG(dbgs() << "  AST: "; AST.dump());
773   DEBUG(dbgs() << "LAA:   Accesses(" << Accesses.size() << "):\n");
774   DEBUG({
775     for (auto A : Accesses)
776       dbgs() << "\t" << *A.getPointer() << " (" <<
777                 (A.getInt() ? "write" : (ReadOnlyPtr.count(A.getPointer()) ?
778                                          "read-only" : "read")) << ")\n";
779   });
780
781   // The AliasSetTracker has nicely partitioned our pointers by metadata
782   // compatibility and potential for underlying-object overlap. As a result, we
783   // only need to check for potential pointer dependencies within each alias
784   // set.
785   for (auto &AS : AST) {
786     // Note that both the alias-set tracker and the alias sets themselves used
787     // linked lists internally and so the iteration order here is deterministic
788     // (matching the original instruction order within each set).
789
790     bool SetHasWrite = false;
791
792     // Map of pointers to last access encountered.
793     typedef DenseMap<Value*, MemAccessInfo> UnderlyingObjToAccessMap;
794     UnderlyingObjToAccessMap ObjToLastAccess;
795
796     // Set of access to check after all writes have been processed.
797     PtrAccessSet DeferredAccesses;
798
799     // Iterate over each alias set twice, once to process read/write pointers,
800     // and then to process read-only pointers.
801     for (int SetIteration = 0; SetIteration < 2; ++SetIteration) {
802       bool UseDeferred = SetIteration > 0;
803       PtrAccessSet &S = UseDeferred ? DeferredAccesses : Accesses;
804
805       for (auto AV : AS) {
806         Value *Ptr = AV.getValue();
807
808         // For a single memory access in AliasSetTracker, Accesses may contain
809         // both read and write, and they both need to be handled for CheckDeps.
810         for (auto AC : S) {
811           if (AC.getPointer() != Ptr)
812             continue;
813
814           bool IsWrite = AC.getInt();
815
816           // If we're using the deferred access set, then it contains only
817           // reads.
818           bool IsReadOnlyPtr = ReadOnlyPtr.count(Ptr) && !IsWrite;
819           if (UseDeferred && !IsReadOnlyPtr)
820             continue;
821           // Otherwise, the pointer must be in the PtrAccessSet, either as a
822           // read or a write.
823           assert(((IsReadOnlyPtr && UseDeferred) || IsWrite ||
824                   S.count(MemAccessInfo(Ptr, false))) &&
825                  "Alias-set pointer not in the access set?");
826
827           MemAccessInfo Access(Ptr, IsWrite);
828           DepCands.insert(Access);
829
830           // Memorize read-only pointers for later processing and skip them in
831           // the first round (they need to be checked after we have seen all
832           // write pointers). Note: we also mark pointer that are not
833           // consecutive as "read-only" pointers (so that we check
834           // "a[b[i]] +="). Hence, we need the second check for "!IsWrite".
835           if (!UseDeferred && IsReadOnlyPtr) {
836             DeferredAccesses.insert(Access);
837             continue;
838           }
839
840           // If this is a write - check other reads and writes for conflicts. If
841           // this is a read only check other writes for conflicts (but only if
842           // there is no other write to the ptr - this is an optimization to
843           // catch "a[i] = a[i] + " without having to do a dependence check).
844           if ((IsWrite || IsReadOnlyPtr) && SetHasWrite) {
845             CheckDeps.insert(Access);
846             IsRTCheckAnalysisNeeded = true;
847           }
848
849           if (IsWrite)
850             SetHasWrite = true;
851
852           // Create sets of pointers connected by a shared alias set and
853           // underlying object.
854           typedef SmallVector<Value *, 16> ValueVector;
855           ValueVector TempObjects;
856
857           GetUnderlyingObjects(Ptr, TempObjects, DL, LI);
858           DEBUG(dbgs() << "Underlying objects for pointer " << *Ptr << "\n");
859           for (Value *UnderlyingObj : TempObjects) {
860             // nullptr never alias, don't join sets for pointer that have "null"
861             // in their UnderlyingObjects list.
862             if (isa<ConstantPointerNull>(UnderlyingObj))
863               continue;
864
865             UnderlyingObjToAccessMap::iterator Prev =
866                 ObjToLastAccess.find(UnderlyingObj);
867             if (Prev != ObjToLastAccess.end())
868               DepCands.unionSets(Access, Prev->second);
869
870             ObjToLastAccess[UnderlyingObj] = Access;
871             DEBUG(dbgs() << "  " << *UnderlyingObj << "\n");
872           }
873         }
874       }
875     }
876   }
877 }
878
879 static bool isInBoundsGep(Value *Ptr) {
880   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr))
881     return GEP->isInBounds();
882   return false;
883 }
884
885 /// \brief Return true if an AddRec pointer \p Ptr is unsigned non-wrapping,
886 /// i.e. monotonically increasing/decreasing.
887 static bool isNoWrapAddRec(Value *Ptr, const SCEVAddRecExpr *AR,
888                            PredicatedScalarEvolution &PSE, const Loop *L) {
889   // FIXME: This should probably only return true for NUW.
890   if (AR->getNoWrapFlags(SCEV::NoWrapMask))
891     return true;
892
893   // Scalar evolution does not propagate the non-wrapping flags to values that
894   // are derived from a non-wrapping induction variable because non-wrapping
895   // could be flow-sensitive.
896   //
897   // Look through the potentially overflowing instruction to try to prove
898   // non-wrapping for the *specific* value of Ptr.
899
900   // The arithmetic implied by an inbounds GEP can't overflow.
901   auto *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
902   if (!GEP || !GEP->isInBounds())
903     return false;
904
905   // Make sure there is only one non-const index and analyze that.
906   Value *NonConstIndex = nullptr;
907   for (Value *Index : make_range(GEP->idx_begin(), GEP->idx_end()))
908     if (!isa<ConstantInt>(Index)) {
909       if (NonConstIndex)
910         return false;
911       NonConstIndex = Index;
912     }
913   if (!NonConstIndex)
914     // The recurrence is on the pointer, ignore for now.
915     return false;
916
917   // The index in GEP is signed.  It is non-wrapping if it's derived from a NSW
918   // AddRec using a NSW operation.
919   if (auto *OBO = dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NonConstIndex))
920     if (OBO->hasNoSignedWrap() &&
921         // Assume constant for other the operand so that the AddRec can be
922         // easily found.
923         isa<ConstantInt>(OBO->getOperand(1))) {
924       auto *OpScev = PSE.getSCEV(OBO->getOperand(0));
925
926       if (auto *OpAR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(OpScev))
927         return OpAR->getLoop() == L && OpAR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW);
928     }
929
930   return false;
931 }
932
933 /// \brief Check whether the access through \p Ptr has a constant stride.
934 int64_t llvm::getPtrStride(PredicatedScalarEvolution &PSE, Value *Ptr,
935                            const Loop *Lp, const ValueToValueMap &StridesMap,
936                            bool Assume, bool ShouldCheckWrap) {
937   Type *Ty = Ptr->getType();
938   assert(Ty->isPointerTy() && "Unexpected non-ptr");
939
940   // Make sure that the pointer does not point to aggregate types.
941   auto *PtrTy = cast<PointerType>(Ty);
942   if (PtrTy->getElementType()->isAggregateType()) {
943     DEBUG(dbgs() << "LAA: Bad stride - Not a pointer to a scalar type" << *Ptr
944                  << "\n");
945     return 0;
946   }
947
948   const SCEV *PtrScev = replaceSymbolicStrideSCEV(PSE, StridesMap, Ptr);
949
950   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
951   if (Assume && !AR)
952     AR = PSE.getAsAddRec(Ptr);
953
954   if (!AR) {
955     DEBUG(dbgs() << "LAA: Bad stride - Not an AddRecExpr pointer " << *Ptr
956                  << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
957     return 0;
958   }
959
960   // The accesss function must stride over the innermost loop.
961   if (Lp != AR->getLoop()) {
962     DEBUG(dbgs() << "LAA: Bad stride - Not striding over innermost loop " <<
963           *Ptr << " SCEV: " << *AR << "\n");
964     return 0;
965   }
966
967   // The address calculation must not wrap. Otherwise, a dependence could be
968   // inverted.
969   // An inbounds getelementptr that is a AddRec with a unit stride
970   // cannot wrap per definition. The unit stride requirement is checked later.
971   // An getelementptr without an inbounds attribute and unit stride would have
972   // to access the pointer value "0" which is undefined behavior in address
973   // space 0, therefore we can also vectorize this case.
974   bool IsInBoundsGEP = isInBoundsGep(Ptr);
975   bool IsNoWrapAddRec = !ShouldCheckWrap ||
976     PSE.hasNoOverflow(Ptr, SCEVWrapPredicate::IncrementNUSW) ||
977     isNoWrapAddRec(Ptr, AR, PSE, Lp);
978   bool IsInAddressSpaceZero = PtrTy->getAddressSpace() == 0;
979   if (!IsNoWrapAddRec && !IsInBoundsGEP && !IsInAddressSpaceZero) {
980     if (Assume) {
981       PSE.setNoOverflow(Ptr, SCEVWrapPredicate::IncrementNUSW);
982       IsNoWrapAddRec = true;
983       DEBUG(dbgs() << "LAA: Pointer may wrap in the address space:\n"
984                    << "LAA:   Pointer: " << *Ptr << "\n"
985                    << "LAA:   SCEV: " << *AR << "\n"
986                    << "LAA:   Added an overflow assumption\n");
987     } else {
988       DEBUG(dbgs() << "LAA: Bad stride - Pointer may wrap in the address space "
989                    << *Ptr << " SCEV: " << *AR << "\n");
990       return 0;
991     }
992   }
993
994   // Check the step is constant.
995   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*PSE.getSE());
996
997   // Calculate the pointer stride and check if it is constant.
998   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
999   if (!C) {
1000     DEBUG(dbgs() << "LAA: Bad stride - Not a constant strided " << *Ptr <<
1001           " SCEV: " << *AR << "\n");
1002     return 0;
1003   }
1004
1005   auto &DL = Lp->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1006   int64_t Size = DL.getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
1007   const APInt &APStepVal = C->getAPInt();
1008
1009   // Huge step value - give up.
1010   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
1011     return 0;
1012
1013   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
1014
1015   // Strided access.
1016   int64_t Stride = StepVal / Size;
1017   int64_t Rem = StepVal % Size;
1018   if (Rem)
1019     return 0;
1020
1021   // If the SCEV could wrap but we have an inbounds gep with a unit stride we
1022   // know we can't "wrap around the address space". In case of address space
1023   // zero we know that this won't happen without triggering undefined behavior.
1024   if (!IsNoWrapAddRec && (IsInBoundsGEP || IsInAddressSpaceZero) &&
1025       Stride != 1 && Stride != -1) {
1026     if (Assume) {
1027       // We can avoid this case by adding a run-time check.
1028       DEBUG(dbgs() << "LAA: Non unit strided pointer which is not either "
1029                    << "inbouds or in address space 0 may wrap:\n"
1030                    << "LAA:   Pointer: " << *Ptr << "\n"
1031                    << "LAA:   SCEV: " << *AR << "\n"
1032                    << "LAA:   Added an overflow assumption\n");
1033       PSE.setNoOverflow(Ptr, SCEVWrapPredicate::IncrementNUSW);
1034     } else
1035       return 0;
1036   }
1037
1038   return Stride;
1039 }
1040
1041 /// Take the pointer operand from the Load/Store instruction.
1042 /// Returns NULL if this is not a valid Load/Store instruction.
1043 static Value *getPointerOperand(Value *I) {
1044   if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1045     return LI->getPointerOperand();
1046   if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
1047     return SI->getPointerOperand();
1048   return nullptr;
1049 }
1050
1051 /// Take the address space operand from the Load/Store instruction.
1052 /// Returns -1 if this is not a valid Load/Store instruction.
1053 static unsigned getAddressSpaceOperand(Value *I) {
1054   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I))
1055     return L->getPointerAddressSpace();
1056   if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(I))
1057     return S->getPointerAddressSpace();
1058   return -1;
1059 }
1060
1061 /// Returns true if the memory operations \p A and \p B are consecutive.
1062 bool llvm::isConsecutiveAccess(Value *A, Value *B, const DataLayout &DL,
1063                                ScalarEvolution &SE, bool CheckType) {
1064   Value *PtrA = getPointerOperand(A);
1065   Value *PtrB = getPointerOperand(B);
1066   unsigned ASA = getAddressSpaceOperand(A);
1067   unsigned ASB = getAddressSpaceOperand(B);
1068
1069   // Check that the address spaces match and that the pointers are valid.
1070   if (!PtrA || !PtrB || (ASA != ASB))
1071     return false;
1072
1073   // Make sure that A and B are different pointers.
1074   if (PtrA == PtrB)
1075     return false;
1076
1077   // Make sure that A and B have the same type if required.
1078   if (CheckType && PtrA->getType() != PtrB->getType())
1079     return false;
1080
1081   unsigned PtrBitWidth = DL.getPointerSizeInBits(ASA);
1082   Type *Ty = cast<PointerType>(PtrA->getType())->getElementType();
1083   APInt Size(PtrBitWidth, DL.getTypeStoreSize(Ty));
1084
1085   APInt OffsetA(PtrBitWidth, 0), OffsetB(PtrBitWidth, 0);
1086   PtrA = PtrA->stripAndAccumulateInBoundsConstantOffsets(DL, OffsetA);
1087   PtrB = PtrB->stripAndAccumulateInBoundsConstantOffsets(DL, OffsetB);
1088
1089   //  OffsetDelta = OffsetB - OffsetA;
1090   const SCEV *OffsetSCEVA = SE.getConstant(OffsetA);
1091   const SCEV *OffsetSCEVB = SE.getConstant(OffsetB);
1092   const SCEV *OffsetDeltaSCEV = SE.getMinusSCEV(OffsetSCEVB, OffsetSCEVA);
1093   const SCEVConstant *OffsetDeltaC = dyn_cast<SCEVConstant>(OffsetDeltaSCEV);
1094   const APInt &OffsetDelta = OffsetDeltaC->getAPInt();
1095   // Check if they are based on the same pointer. That makes the offsets
1096   // sufficient.
1097   if (PtrA == PtrB)
1098     return OffsetDelta == Size;
1099
1100   // Compute the necessary base pointer delta to have the necessary final delta
1101   // equal to the size.
1102   // BaseDelta = Size - OffsetDelta;
1103   const SCEV *SizeSCEV = SE.getConstant(Size);
1104   const SCEV *BaseDelta = SE.getMinusSCEV(SizeSCEV, OffsetDeltaSCEV);
1105
1106   // Otherwise compute the distance with SCEV between the base pointers.
1107   const SCEV *PtrSCEVA = SE.getSCEV(PtrA);
1108   const SCEV *PtrSCEVB = SE.getSCEV(PtrB);
1109   const SCEV *X = SE.getAddExpr(PtrSCEVA, BaseDelta);
1110   return X == PtrSCEVB;
1111 }
1112
1113 bool MemoryDepChecker::Dependence::isSafeForVectorization(DepType Type) {
1114   switch (Type) {
1115   case NoDep:
1116   case Forward:
1117   case BackwardVectorizable:
1118     return true;
1119
1120   case Unknown:
1121   case ForwardButPreventsForwarding:
1122   case Backward:
1123   case BackwardVectorizableButPreventsForwarding:
1124     return false;
1125   }
1126   llvm_unreachable("unexpected DepType!");
1127 }
1128
1129 bool MemoryDepChecker::Dependence::isBackward() const {
1130   switch (Type) {
1131   case NoDep:
1132   case Forward:
1133   case ForwardButPreventsForwarding:
1134   case Unknown:
1135     return false;
1136
1137   case BackwardVectorizable:
1138   case Backward:
1139   case BackwardVectorizableButPreventsForwarding:
1140     return true;
1141   }
1142   llvm_unreachable("unexpected DepType!");
1143 }
1144
1145 bool MemoryDepChecker::Dependence::isPossiblyBackward() const {
1146   return isBackward() || Type == Unknown;
1147 }
1148
1149 bool MemoryDepChecker::Dependence::isForward() const {
1150   switch (Type) {
1151   case Forward:
1152   case ForwardButPreventsForwarding:
1153     return true;
1154
1155   case NoDep:
1156   case Unknown:
1157   case BackwardVectorizable:
1158   case Backward:
1159   case BackwardVectorizableButPreventsForwarding:
1160     return false;
1161   }
1162   llvm_unreachable("unexpected DepType!");
1163 }
1164
1165 bool MemoryDepChecker::couldPreventStoreLoadForward(uint64_t Distance,
1166                                                     uint64_t TypeByteSize) {
1167   // If loads occur at a distance that is not a multiple of a feasible vector
1168   // factor store-load forwarding does not take place.
1169   // Positive dependences might cause troubles because vectorizing them might
1170   // prevent store-load forwarding making vectorized code run a lot slower.
1171   //   a[i] = a[i-3] ^ a[i-8];
1172   //   The stores to a[i:i+1] don't align with the stores to a[i-3:i-2] and
1173   //   hence on your typical architecture store-load forwarding does not take
1174   //   place. Vectorizing in such cases does not make sense.
1175   // Store-load forwarding distance.
1176
1177   // After this many iterations store-to-load forwarding conflicts should not
1178   // cause any slowdowns.
1179   const uint64_t NumItersForStoreLoadThroughMemory = 8 * TypeByteSize;
1180   // Maximum vector factor.
1181   uint64_t MaxVFWithoutSLForwardIssues = std::min(
1182       VectorizerParams::MaxVectorWidth * TypeByteSize, MaxSafeDepDistBytes);
1183
1184   // Compute the smallest VF at which the store and load would be misaligned.
1185   for (uint64_t VF = 2 * TypeByteSize; VF <= MaxVFWithoutSLForwardIssues;
1186        VF *= 2) {
1187     // If the number of vector iteration between the store and the load are
1188     // small we could incur conflicts.
1189     if (Distance % VF && Distance / VF < NumItersForStoreLoadThroughMemory) {
1190       MaxVFWithoutSLForwardIssues = (VF >>= 1);
1191       break;
1192     }
1193   }
1194
1195   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues < 2 * TypeByteSize) {
1196     DEBUG(dbgs() << "LAA: Distance " << Distance
1197                  << " that could cause a store-load forwarding conflict\n");
1198     return true;
1199   }
1200
1201   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues < MaxSafeDepDistBytes &&
1202       MaxVFWithoutSLForwardIssues !=
1203           VectorizerParams::MaxVectorWidth * TypeByteSize)
1204     MaxSafeDepDistBytes = MaxVFWithoutSLForwardIssues;
1205   return false;
1206 }
1207
1208 /// \brief Check the dependence for two accesses with the same stride \p Stride.
1209 /// \p Distance is the positive distance and \p TypeByteSize is type size in
1210 /// bytes.
1211 ///
1212 /// \returns true if they are independent.
1213 static bool areStridedAccessesIndependent(uint64_t Distance, uint64_t Stride,
1214                                           uint64_t TypeByteSize) {
1215   assert(Stride > 1 && "The stride must be greater than 1");
1216   assert(TypeByteSize > 0 && "The type size in byte must be non-zero");
1217   assert(Distance > 0 && "The distance must be non-zero");
1218
1219   // Skip if the distance is not multiple of type byte size.
1220   if (Distance % TypeByteSize)
1221     return false;
1222
1223   uint64_t ScaledDist = Distance / TypeByteSize;
1224
1225   // No dependence if the scaled distance is not multiple of the stride.
1226   // E.g.
1227   //      for (i = 0; i < 1024 ; i += 4)
1228   //        A[i+2] = A[i] + 1;
1229   //
1230   // Two accesses in memory (scaled distance is 2, stride is 4):
1231   //     | A[0] |      |      |      | A[4] |      |      |      |
1232   //     |      |      | A[2] |      |      |      | A[6] |      |
1233   //
1234   // E.g.
1235   //      for (i = 0; i < 1024 ; i += 3)
1236   //        A[i+4] = A[i] + 1;
1237   //
1238   // Two accesses in memory (scaled distance is 4, stride is 3):
1239   //     | A[0] |      |      | A[3] |      |      | A[6] |      |      |
1240   //     |      |      |      |      | A[4] |      |      | A[7] |      |
1241   return ScaledDist % Stride;
1242 }
1243
1244 MemoryDepChecker::Dependence::DepType
1245 MemoryDepChecker::isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
1246                               const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx,
1247                               const ValueToValueMap &Strides) {
1248   assert (AIdx < BIdx && "Must pass arguments in program order");
1249
1250   Value *APtr = A.getPointer();
1251   Value *BPtr = B.getPointer();
1252   bool AIsWrite = A.getInt();
1253   bool BIsWrite = B.getInt();
1254
1255   // Two reads are independent.
1256   if (!AIsWrite && !BIsWrite)
1257     return Dependence::NoDep;
1258
1259   // We cannot check pointers in different address spaces.
1260   if (APtr->getType()->getPointerAddressSpace() !=
1261       BPtr->getType()->getPointerAddressSpace())
1262     return Dependence::Unknown;
1263
1264   int64_t StrideAPtr = getPtrStride(PSE, APtr, InnermostLoop, Strides, true);
1265   int64_t StrideBPtr = getPtrStride(PSE, BPtr, InnermostLoop, Strides, true);
1266
1267   const SCEV *Src = PSE.getSCEV(APtr);
1268   const SCEV *Sink = PSE.getSCEV(BPtr);
1269
1270   // If the induction step is negative we have to invert source and sink of the
1271   // dependence.
1272   if (StrideAPtr < 0) {
1273     std::swap(APtr, BPtr);
1274     std::swap(Src, Sink);
1275     std::swap(AIsWrite, BIsWrite);
1276     std::swap(AIdx, BIdx);
1277     std::swap(StrideAPtr, StrideBPtr);
1278   }
1279
1280   const SCEV *Dist = PSE.getSE()->getMinusSCEV(Sink, Src);
1281
1282   DEBUG(dbgs() << "LAA: Src Scev: " << *Src << "Sink Scev: " << *Sink
1283                << "(Induction step: " << StrideAPtr << ")\n");
1284   DEBUG(dbgs() << "LAA: Distance for " << *InstMap[AIdx] << " to "
1285                << *InstMap[BIdx] << ": " << *Dist << "\n");
1286
1287   // Need accesses with constant stride. We don't want to vectorize
1288   // "A[B[i]] += ..." and similar code or pointer arithmetic that could wrap in
1289   // the address space.
1290   if (!StrideAPtr || !StrideBPtr || StrideAPtr != StrideBPtr){
1291     DEBUG(dbgs() << "Pointer access with non-constant stride\n");
1292     return Dependence::Unknown;
1293   }
1294
1295   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Dist);
1296   if (!C) {
1297     DEBUG(dbgs() << "LAA: Dependence because of non-constant distance\n");
1298     ShouldRetryWithRuntimeCheck = true;
1299     return Dependence::Unknown;
1300   }
1301
1302   Type *ATy = APtr->getType()->getPointerElementType();
1303   Type *BTy = BPtr->getType()->getPointerElementType();
1304   auto &DL = InnermostLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1305   uint64_t TypeByteSize = DL.getTypeAllocSize(ATy);
1306
1307   const APInt &Val = C->getAPInt();
1308   int64_t Distance = Val.getSExtValue();
1309   uint64_t Stride = std::abs(StrideAPtr);
1310
1311   // Attempt to prove strided accesses independent.
1312   if (std::abs(Distance) > 0 && Stride > 1 && ATy == BTy &&
1313       areStridedAccessesIndependent(std::abs(Distance), Stride, TypeByteSize)) {
1314     DEBUG(dbgs() << "LAA: Strided accesses are independent\n");
1315     return Dependence::NoDep;
1316   }
1317
1318   // Negative distances are not plausible dependencies.
1319   if (Val.isNegative()) {
1320     bool IsTrueDataDependence = (AIsWrite && !BIsWrite);
1321     if (IsTrueDataDependence && EnableForwardingConflictDetection &&
1322         (couldPreventStoreLoadForward(Val.abs().getZExtValue(), TypeByteSize) ||
1323          ATy != BTy)) {
1324       DEBUG(dbgs() << "LAA: Forward but may prevent st->ld forwarding\n");
1325       return Dependence::ForwardButPreventsForwarding;
1326     }
1327
1328     DEBUG(dbgs() << "LAA: Dependence is negative\n");
1329     return Dependence::Forward;
1330   }
1331
1332   // Write to the same location with the same size.
1333   // Could be improved to assert type sizes are the same (i32 == float, etc).
1334   if (Val == 0) {
1335     if (ATy == BTy)
1336       return Dependence::Forward;
1337     DEBUG(dbgs() << "LAA: Zero dependence difference but different types\n");
1338     return Dependence::Unknown;
1339   }
1340
1341   assert(Val.isStrictlyPositive() && "Expect a positive value");
1342
1343   if (ATy != BTy) {
1344     DEBUG(dbgs() <<
1345           "LAA: ReadWrite-Write positive dependency with different types\n");
1346     return Dependence::Unknown;
1347   }
1348
1349   // Bail out early if passed-in parameters make vectorization not feasible.
1350   unsigned ForcedFactor = (VectorizerParams::VectorizationFactor ?
1351                            VectorizerParams::VectorizationFactor : 1);
1352   unsigned ForcedUnroll = (VectorizerParams::VectorizationInterleave ?
1353                            VectorizerParams::VectorizationInterleave : 1);
1354   // The minimum number of iterations for a vectorized/unrolled version.
1355   unsigned MinNumIter = std::max(ForcedFactor * ForcedUnroll, 2U);
1356
1357   // It's not vectorizable if the distance is smaller than the minimum distance
1358   // needed for a vectroized/unrolled version. Vectorizing one iteration in
1359   // front needs TypeByteSize * Stride. Vectorizing the last iteration needs
1360   // TypeByteSize (No need to plus the last gap distance).
1361   //
1362   // E.g. Assume one char is 1 byte in memory and one int is 4 bytes.
1363   //      foo(int *A) {
1364   //        int *B = (int *)((char *)A + 14);
1365   //        for (i = 0 ; i < 1024 ; i += 2)
1366   //          B[i] = A[i] + 1;
1367   //      }
1368   //
1369   // Two accesses in memory (stride is 2):
1370   //     | A[0] |      | A[2] |      | A[4] |      | A[6] |      |
1371   //                              | B[0] |      | B[2] |      | B[4] |
1372   //
1373   // Distance needs for vectorizing iterations except the last iteration:
1374   // 4 * 2 * (MinNumIter - 1). Distance needs for the last iteration: 4.
1375   // So the minimum distance needed is: 4 * 2 * (MinNumIter - 1) + 4.
1376   //
1377   // If MinNumIter is 2, it is vectorizable as the minimum distance needed is
1378   // 12, which is less than distance.
1379   //
1380   // If MinNumIter is 4 (Say if a user forces the vectorization factor to be 4),
1381   // the minimum distance needed is 28, which is greater than distance. It is
1382   // not safe to do vectorization.
1383   uint64_t MinDistanceNeeded =
1384       TypeByteSize * Stride * (MinNumIter - 1) + TypeByteSize;
1385   if (MinDistanceNeeded > static_cast<uint64_t>(Distance)) {
1386     DEBUG(dbgs() << "LAA: Failure because of positive distance " << Distance
1387                  << '\n');
1388     return Dependence::Backward;
1389   }
1390
1391   // Unsafe if the minimum distance needed is greater than max safe distance.
1392   if (MinDistanceNeeded > MaxSafeDepDistBytes) {
1393     DEBUG(dbgs() << "LAA: Failure because it needs at least "
1394                  << MinDistanceNeeded << " size in bytes");
1395     return Dependence::Backward;
1396   }
1397
1398   // Positive distance bigger than max vectorization factor.
1399   // FIXME: Should use max factor instead of max distance in bytes, which could
1400   // not handle different types.
1401   // E.g. Assume one char is 1 byte in memory and one int is 4 bytes.
1402   //      void foo (int *A, char *B) {
1403   //        for (unsigned i = 0; i < 1024; i++) {
1404   //          A[i+2] = A[i] + 1;
1405   //          B[i+2] = B[i] + 1;
1406   //        }
1407   //      }
1408   //
1409   // This case is currently unsafe according to the max safe distance. If we
1410   // analyze the two accesses on array B, the max safe dependence distance
1411   // is 2. Then we analyze the accesses on array A, the minimum distance needed
1412   // is 8, which is less than 2 and forbidden vectorization, But actually
1413   // both A and B could be vectorized by 2 iterations.
1414   MaxSafeDepDistBytes =
1415       std::min(static_cast<uint64_t>(Distance), MaxSafeDepDistBytes);
1416
1417   bool IsTrueDataDependence = (!AIsWrite && BIsWrite);
1418   if (IsTrueDataDependence && EnableForwardingConflictDetection &&
1419       couldPreventStoreLoadForward(Distance, TypeByteSize))
1420     return Dependence::BackwardVectorizableButPreventsForwarding;
1421
1422   DEBUG(dbgs() << "LAA: Positive distance " << Val.getSExtValue()
1423                << " with max VF = "
1424                << MaxSafeDepDistBytes / (TypeByteSize * Stride) << '\n');
1425
1426   return Dependence::BackwardVectorizable;
1427 }
1428
1429 bool MemoryDepChecker::areDepsSafe(DepCandidates &AccessSets,
1430                                    MemAccessInfoSet &CheckDeps,
1431                                    const ValueToValueMap &Strides) {
1432
1433   MaxSafeDepDistBytes = -1;
1434   while (!CheckDeps.empty()) {
1435     MemAccessInfo CurAccess = *CheckDeps.begin();
1436
1437     // Get the relevant memory access set.
1438     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::iterator I =
1439       AccessSets.findValue(AccessSets.getLeaderValue(CurAccess));
1440
1441     // Check accesses within this set.
1442     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator AI =
1443         AccessSets.member_begin(I);
1444     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator AE =
1445         AccessSets.member_end();
1446
1447     // Check every access pair.
1448     while (AI != AE) {
1449       CheckDeps.erase(*AI);
1450       EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator OI = std::next(AI);
1451       while (OI != AE) {
1452         // Check every accessing instruction pair in program order.
1453         for (std::vector<unsigned>::iterator I1 = Accesses[*AI].begin(),
1454              I1E = Accesses[*AI].end(); I1 != I1E; ++I1)
1455           for (std::vector<unsigned>::iterator I2 = Accesses[*OI].begin(),
1456                I2E = Accesses[*OI].end(); I2 != I2E; ++I2) {
1457             auto A = std::make_pair(&*AI, *I1);
1458             auto B = std::make_pair(&*OI, *I2);
1459
1460             assert(*I1 != *I2);
1461             if (*I1 > *I2)
1462               std::swap(A, B);
1463
1464             Dependence::DepType Type =
1465                 isDependent(*A.first, A.second, *B.first, B.second, Strides);
1466             SafeForVectorization &= Dependence::isSafeForVectorization(Type);
1467
1468             // Gather dependences unless we accumulated MaxDependences
1469             // dependences.  In that case return as soon as we find the first
1470             // unsafe dependence.  This puts a limit on this quadratic
1471             // algorithm.
1472             if (RecordDependences) {
1473               if (Type != Dependence::NoDep)
1474                 Dependences.push_back(Dependence(A.second, B.second, Type));
1475
1476               if (Dependences.size() >= MaxDependences) {
1477                 RecordDependences = false;
1478                 Dependences.clear();
1479                 DEBUG(dbgs() << "Too many dependences, stopped recording\n");
1480               }
1481             }
1482             if (!RecordDependences && !SafeForVectorization)
1483               return false;
1484           }
1485         ++OI;
1486       }
1487       AI++;
1488     }
1489   }
1490
1491   DEBUG(dbgs() << "Total Dependences: " << Dependences.size() << "\n");
1492   return SafeForVectorization;
1493 }
1494
1495 SmallVector<Instruction *, 4>
1496 MemoryDepChecker::getInstructionsForAccess(Value *Ptr, bool isWrite) const {
1497   MemAccessInfo Access(Ptr, isWrite);
1498   auto &IndexVector = Accesses.find(Access)->second;
1499
1500   SmallVector<Instruction *, 4> Insts;
1501   transform(IndexVector,
1502                  std::back_inserter(Insts),
1503                  [&](unsigned Idx) { return this->InstMap[Idx]; });
1504   return Insts;
1505 }
1506
1507 const char *MemoryDepChecker::Dependence::DepName[] = {
1508     "NoDep", "Unknown", "Forward", "ForwardButPreventsForwarding", "Backward",
1509     "BackwardVectorizable", "BackwardVectorizableButPreventsForwarding"};
1510
1511 void MemoryDepChecker::Dependence::print(
1512     raw_ostream &OS, unsigned Depth,
1513     const SmallVectorImpl<Instruction *> &Instrs) const {
1514   OS.indent(Depth) << DepName[Type] << ":\n";
1515   OS.indent(Depth + 2) << *Instrs[Source] << " -> \n";
1516   OS.indent(Depth + 2) << *Instrs[Destination] << "\n";
1517 }
1518
1519 bool LoopAccessInfo::canAnalyzeLoop() {
1520   // We need to have a loop header.
1521   DEBUG(dbgs() << "LAA: Found a loop in "
1522                << TheLoop->getHeader()->getParent()->getName() << ": "
1523                << TheLoop->getHeader()->getName() << '\n');
1524
1525   // We can only analyze innermost loops.
1526   if (!TheLoop->empty()) {
1527     DEBUG(dbgs() << "LAA: loop is not the innermost loop\n");
1528     recordAnalysis("NotInnerMostLoop") << "loop is not the innermost loop";
1529     return false;
1530   }
1531
1532   // We must have a single backedge.
1533   if (TheLoop->getNumBackEdges() != 1) {
1534     DEBUG(dbgs() << "LAA: loop control flow is not understood by analyzer\n");
1535     recordAnalysis("CFGNotUnderstood")
1536         << "loop control flow is not understood by analyzer";
1537     return false;
1538   }
1539
1540   // We must have a single exiting block.
1541   if (!TheLoop->getExitingBlock()) {
1542     DEBUG(dbgs() << "LAA: loop control flow is not understood by analyzer\n");
1543     recordAnalysis("CFGNotUnderstood")
1544         << "loop control flow is not understood by analyzer";
1545     return false;
1546   }
1547
1548   // We only handle bottom-tested loops, i.e. loop in which the condition is
1549   // checked at the end of each iteration. With that we can assume that all
1550   // instructions in the loop are executed the same number of times.
1551   if (TheLoop->getExitingBlock() != TheLoop->getLoopLatch()) {
1552     DEBUG(dbgs() << "LAA: loop control flow is not understood by analyzer\n");
1553     recordAnalysis("CFGNotUnderstood")
1554         << "loop control flow is not understood by analyzer";
1555     return false;
1556   }
1557
1558   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
1559   const SCEV *ExitCount = PSE->getBackedgeTakenCount();
1560   if (ExitCount == PSE->getSE()->getCouldNotCompute()) {
1561     recordAnalysis("CantComputeNumberOfIterations")
1562         << "could not determine number of loop iterations";
1563     DEBUG(dbgs() << "LAA: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
1564     return false;
1565   }
1566
1567   return true;
1568 }
1569
1570 void LoopAccessInfo::analyzeLoop(AliasAnalysis *AA, LoopInfo *LI,
1571                                  const TargetLibraryInfo *TLI,
1572                                  DominatorTree *DT) {
1573   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
1574
1575   // Holds the Load and Store instructions.
1576   SmallVector<LoadInst *, 16> Loads;
1577   SmallVector<StoreInst *, 16> Stores;
1578
1579   // Holds all the different accesses in the loop.
1580   unsigned NumReads = 0;
1581   unsigned NumReadWrites = 0;
1582
1583   PtrRtChecking->Pointers.clear();
1584   PtrRtChecking->Need = false;
1585
1586   const bool IsAnnotatedParallel = TheLoop->isAnnotatedParallel();
1587
1588   // For each block.
1589   for (BasicBlock *BB : TheLoop->blocks()) {
1590     // Scan the BB and collect legal loads and stores.
1591     for (Instruction &I : *BB) {
1592       // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
1593       // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
1594       // calls that read or write.
1595       if (I.mayReadFromMemory()) {
1596         // Many math library functions read the rounding mode. We will only
1597         // vectorize a loop if it contains known function calls that don't set
1598         // the flag. Therefore, it is safe to ignore this read from memory.
1599         auto *Call = dyn_cast<CallInst>(&I);
1600         if (Call && getVectorIntrinsicIDForCall(Call, TLI))
1601           continue;
1602
1603         // If the function has an explicit vectorized counterpart, we can safely
1604         // assume that it can be vectorized.
1605         if (Call && !Call->isNoBuiltin() && Call->getCalledFunction() &&
1606             TLI->isFunctionVectorizable(Call->getCalledFunction()->getName()))
1607           continue;
1608
1609         auto *Ld = dyn_cast<LoadInst>(&I);
1610         if (!Ld || (!Ld->isSimple() && !IsAnnotatedParallel)) {
1611           recordAnalysis("NonSimpleLoad", Ld)
1612               << "read with atomic ordering or volatile read";
1613           DEBUG(dbgs() << "LAA: Found a non-simple load.\n");
1614           CanVecMem = false;
1615           return;
1616         }
1617         NumLoads++;
1618         Loads.push_back(Ld);
1619         DepChecker->addAccess(Ld);
1620         if (EnableMemAccessVersioning)
1621           collectStridedAccess(Ld);
1622         continue;
1623       }
1624
1625       // Save 'store' instructions. Abort if other instructions write to memory.
1626       if (I.mayWriteToMemory()) {
1627         auto *St = dyn_cast<StoreInst>(&I);
1628         if (!St) {
1629           recordAnalysis("CantVectorizeInstruction", St)
1630               << "instruction cannot be vectorized";
1631           CanVecMem = false;
1632           return;
1633         }
1634         if (!St->isSimple() && !IsAnnotatedParallel) {
1635           recordAnalysis("NonSimpleStore", St)
1636               << "write with atomic ordering or volatile write";
1637           DEBUG(dbgs() << "LAA: Found a non-simple store.\n");
1638           CanVecMem = false;
1639           return;
1640         }
1641         NumStores++;
1642         Stores.push_back(St);
1643         DepChecker->addAccess(St);
1644         if (EnableMemAccessVersioning)
1645           collectStridedAccess(St);
1646       }
1647     } // Next instr.
1648   } // Next block.
1649
1650   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
1651   // Next, we find the pointers that they use.
1652
1653   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
1654   // care if the pointers are *restrict*.
1655   if (!Stores.size()) {
1656     DEBUG(dbgs() << "LAA: Found a read-only loop!\n");
1657     CanVecMem = true;
1658     return;
1659   }
1660
1661   MemoryDepChecker::DepCandidates DependentAccesses;
1662   AccessAnalysis Accesses(TheLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout(),
1663                           AA, LI, DependentAccesses, *PSE);
1664
1665   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
1666   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
1667   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
1668   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
1669   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
1670   ValueSet Seen;
1671
1672   for (StoreInst *ST : Stores) {
1673     Value *Ptr = ST->getPointerOperand();
1674     // Check for store to loop invariant address.
1675     StoreToLoopInvariantAddress |= isUniform(Ptr);
1676     // If we did *not* see this pointer before, insert it to  the read-write
1677     // list. At this phase it is only a 'write' list.
1678     if (Seen.insert(Ptr).second) {
1679       ++NumReadWrites;
1680
1681       MemoryLocation Loc = MemoryLocation::get(ST);
1682       // The TBAA metadata could have a control dependency on the predication
1683       // condition, so we cannot rely on it when determining whether or not we
1684       // need runtime pointer checks.
1685       if (blockNeedsPredication(ST->getParent(), TheLoop, DT))
1686         Loc.AATags.TBAA = nullptr;
1687
1688       Accesses.addStore(Loc);
1689     }
1690   }
1691
1692   if (IsAnnotatedParallel) {
1693     DEBUG(dbgs()
1694           << "LAA: A loop annotated parallel, ignore memory dependency "
1695           << "checks.\n");
1696     CanVecMem = true;
1697     return;
1698   }
1699
1700   for (LoadInst *LD : Loads) {
1701     Value *Ptr = LD->getPointerOperand();
1702     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
1703     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
1704     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
1705     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
1706     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
1707     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
1708     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
1709     // words may be written to the same address.
1710     bool IsReadOnlyPtr = false;
1711     if (Seen.insert(Ptr).second ||
1712         !getPtrStride(*PSE, Ptr, TheLoop, SymbolicStrides)) {
1713       ++NumReads;
1714       IsReadOnlyPtr = true;
1715     }
1716
1717     MemoryLocation Loc = MemoryLocation::get(LD);
1718     // The TBAA metadata could have a control dependency on the predication
1719     // condition, so we cannot rely on it when determining whether or not we
1720     // need runtime pointer checks.
1721     if (blockNeedsPredication(LD->getParent(), TheLoop, DT))
1722       Loc.AATags.TBAA = nullptr;
1723
1724     Accesses.addLoad(Loc, IsReadOnlyPtr);
1725   }
1726
1727   // If we write (or read-write) to a single destination and there are no
1728   // other reads in this loop then is it safe to vectorize.
1729   if (NumReadWrites == 1 && NumReads == 0) {
1730     DEBUG(dbgs() << "LAA: Found a write-only loop!\n");
1731     CanVecMem = true;
1732     return;
1733   }
1734
1735   // Build dependence sets and check whether we need a runtime pointer bounds
1736   // check.
1737   Accesses.buildDependenceSets();
1738
1739   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
1740   // to place a runtime bound check.
1741   bool CanDoRTIfNeeded = Accesses.canCheckPtrAtRT(*PtrRtChecking, PSE->getSE(),
1742                                                   TheLoop, SymbolicStrides);
1743   if (!CanDoRTIfNeeded) {
1744     recordAnalysis("CantIdentifyArrayBounds") << "cannot identify array bounds";
1745     DEBUG(dbgs() << "LAA: We can't vectorize because we can't find "
1746                  << "the array bounds.\n");
1747     CanVecMem = false;
1748     return;
1749   }
1750
1751   DEBUG(dbgs() << "LAA: We can perform a memory runtime check if needed.\n");
1752
1753   CanVecMem = true;
1754   if (Accesses.isDependencyCheckNeeded()) {
1755     DEBUG(dbgs() << "LAA: Checking memory dependencies\n");
1756     CanVecMem = DepChecker->areDepsSafe(
1757         DependentAccesses, Accesses.getDependenciesToCheck(), SymbolicStrides);
1758     MaxSafeDepDistBytes = DepChecker->getMaxSafeDepDistBytes();
1759
1760     if (!CanVecMem && DepChecker->shouldRetryWithRuntimeCheck()) {
1761       DEBUG(dbgs() << "LAA: Retrying with memory checks\n");
1762
1763       // Clear the dependency checks. We assume they are not needed.
1764       Accesses.resetDepChecks(*DepChecker);
1765
1766       PtrRtChecking->reset();
1767       PtrRtChecking->Need = true;
1768
1769       auto *SE = PSE->getSE();
1770       CanDoRTIfNeeded = Accesses.canCheckPtrAtRT(*PtrRtChecking, SE, TheLoop,
1771                                                  SymbolicStrides, true);
1772
1773       // Check that we found the bounds for the pointer.
1774       if (!CanDoRTIfNeeded) {
1775         recordAnalysis("CantCheckMemDepsAtRunTime")
1776             << "cannot check memory dependencies at runtime";
1777         DEBUG(dbgs() << "LAA: Can't vectorize with memory checks\n");
1778         CanVecMem = false;
1779         return;
1780       }
1781
1782       CanVecMem = true;
1783     }
1784   }
1785
1786   if (CanVecMem)
1787     DEBUG(dbgs() << "LAA: No unsafe dependent memory operations in loop.  We"
1788                  << (PtrRtChecking->Need ? "" : " don't")
1789                  << " need runtime memory checks.\n");
1790   else {
1791     recordAnalysis("UnsafeMemDep")
1792         << "unsafe dependent memory operations in loop. Use "
1793            "#pragma loop distribute(enable) to allow loop distribution "
1794            "to attempt to isolate the offending operations into a separate "
1795            "loop";
1796     DEBUG(dbgs() << "LAA: unsafe dependent memory operations in loop\n");
1797   }
1798 }
1799
1800 bool LoopAccessInfo::blockNeedsPredication(BasicBlock *BB, Loop *TheLoop,
1801                                            DominatorTree *DT)  {
1802   assert(TheLoop->contains(BB) && "Unknown block used");
1803
1804   // Blocks that do not dominate the latch need predication.
1805   BasicBlock* Latch = TheLoop->getLoopLatch();
1806   return !DT->dominates(BB, Latch);
1807 }
1808
1809 OptimizationRemarkAnalysis &LoopAccessInfo::recordAnalysis(StringRef RemarkName,
1810                                                            Instruction *I) {
1811   assert(!Report && "Multiple reports generated");
1812
1813   Value *CodeRegion = TheLoop->getHeader();
1814   DebugLoc DL = TheLoop->getStartLoc();
1815
1816   if (I) {
1817     CodeRegion = I->getParent();
1818     // If there is no debug location attached to the instruction, revert back to
1819     // using the loop's.
1820     if (I->getDebugLoc())
1821       DL = I->getDebugLoc();
1822   }
1823
1824   Report = make_unique<OptimizationRemarkAnalysis>(DEBUG_TYPE, RemarkName, DL,
1825                                                    CodeRegion);
1826   return *Report;
1827 }
1828
1829 bool LoopAccessInfo::isUniform(Value *V) const {
1830   auto *SE = PSE->getSE();
1831   // Since we rely on SCEV for uniformity, if the type is not SCEVable, it is
1832   // never considered uniform.
1833   // TODO: Is this really what we want? Even without FP SCEV, we may want some
1834   // trivially loop-invariant FP values to be considered uniform.
1835   if (!SE->isSCEVable(V->getType()))
1836     return false;
1837   return (SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(V), TheLoop));
1838 }
1839
1840 // FIXME: this function is currently a duplicate of the one in
1841 // LoopVectorize.cpp.
1842 static Instruction *getFirstInst(Instruction *FirstInst, Value *V,
1843                                  Instruction *Loc) {
1844   if (FirstInst)
1845     return FirstInst;
1846   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
1847     return I->getParent() == Loc->getParent() ? I : nullptr;
1848   return nullptr;
1849 }
1850
1851 namespace {
1852
1853 /// \brief IR Values for the lower and upper bounds of a pointer evolution.  We
1854 /// need to use value-handles because SCEV expansion can invalidate previously
1855 /// expanded values.  Thus expansion of a pointer can invalidate the bounds for
1856 /// a previous one.
1857 struct PointerBounds {
1858   TrackingVH<Value> Start;
1859   TrackingVH<Value> End;
1860 };
1861
1862 } // end anonymous namespace
1863
1864 /// \brief Expand code for the lower and upper bound of the pointer group \p CG
1865 /// in \p TheLoop.  \return the values for the bounds.
1866 static PointerBounds
1867 expandBounds(const RuntimePointerChecking::CheckingPtrGroup *CG, Loop *TheLoop,
1868              Instruction *Loc, SCEVExpander &Exp, ScalarEvolution *SE,
1869              const RuntimePointerChecking &PtrRtChecking) {
1870   Value *Ptr = PtrRtChecking.Pointers[CG->Members[0]].PointerValue;
1871   const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
1872
1873   unsigned AS = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
1874   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
1875
1876   // Use this type for pointer arithmetic.
1877   Type *PtrArithTy = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS);
1878
1879   if (SE->isLoopInvariant(Sc, TheLoop)) {
1880     DEBUG(dbgs() << "LAA: Adding RT check for a loop invariant ptr:" << *Ptr
1881                  << "\n");
1882     // Ptr could be in the loop body. If so, expand a new one at the correct
1883     // location.
1884     Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(Ptr);
1885     Value *NewPtr = (Inst && TheLoop->contains(Inst))
1886                         ? Exp.expandCodeFor(Sc, PtrArithTy, Loc)
1887                         : Ptr;
1888     return {NewPtr, NewPtr};
1889   } else {
1890     Value *Start = nullptr, *End = nullptr;
1891     DEBUG(dbgs() << "LAA: Adding RT check for range:\n");
1892     Start = Exp.expandCodeFor(CG->Low, PtrArithTy, Loc);
1893     End = Exp.expandCodeFor(CG->High, PtrArithTy, Loc);
1894     DEBUG(dbgs() << "Start: " << *CG->Low << " End: " << *CG->High << "\n");
1895     return {Start, End};
1896   }
1897 }
1898
1899 /// \brief Turns a collection of checks into a collection of expanded upper and
1900 /// lower bounds for both pointers in the check.
1901 static SmallVector<std::pair<PointerBounds, PointerBounds>, 4> expandBounds(
1902     const SmallVectorImpl<RuntimePointerChecking::PointerCheck> &PointerChecks,
1903     Loop *L, Instruction *Loc, ScalarEvolution *SE, SCEVExpander &Exp,
1904     const RuntimePointerChecking &PtrRtChecking) {
1905   SmallVector<std::pair<PointerBounds, PointerBounds>, 4> ChecksWithBounds;
1906
1907   // Here we're relying on the SCEV Expander's cache to only emit code for the
1908   // same bounds once.
1909   transform(
1910       PointerChecks, std::back_inserter(ChecksWithBounds),
1911       [&](const RuntimePointerChecking::PointerCheck &Check) {
1912         PointerBounds
1913           First = expandBounds(Check.first, L, Loc, Exp, SE, PtrRtChecking),
1914           Second = expandBounds(Check.second, L, Loc, Exp, SE, PtrRtChecking);
1915         return std::make_pair(First, Second);
1916       });
1917
1918   return ChecksWithBounds;
1919 }
1920
1921 std::pair<Instruction *, Instruction *> LoopAccessInfo::addRuntimeChecks(
1922     Instruction *Loc,
1923     const SmallVectorImpl<RuntimePointerChecking::PointerCheck> &PointerChecks)
1924     const {
1925   const DataLayout &DL = TheLoop->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1926   auto *SE = PSE->getSE();
1927   SCEVExpander Exp(*SE, DL, "induction");
1928   auto ExpandedChecks =
1929       expandBounds(PointerChecks, TheLoop, Loc, SE, Exp, *PtrRtChecking);
1930
1931   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
1932   Instruction *FirstInst = nullptr;
1933   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
1934   // Our instructions might fold to a constant.
1935   Value *MemoryRuntimeCheck = nullptr;
1936
1937   for (const auto &Check : ExpandedChecks) {
1938     const PointerBounds &A = Check.first, &B = Check.second;
1939     // Check if two pointers (A and B) conflict where conflict is computed as:
1940     // start(A) <= end(B) && start(B) <= end(A)
1941     unsigned AS0 = A.Start->getType()->getPointerAddressSpace();
1942     unsigned AS1 = B.Start->getType()->getPointerAddressSpace();
1943
1944     assert((AS0 == B.End->getType()->getPointerAddressSpace()) &&
1945            (AS1 == A.End->getType()->getPointerAddressSpace()) &&
1946            "Trying to bounds check pointers with different address spaces");
1947
1948     Type *PtrArithTy0 = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS0);
1949     Type *PtrArithTy1 = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS1);
1950
1951     Value *Start0 = ChkBuilder.CreateBitCast(A.Start, PtrArithTy0, "bc");
1952     Value *Start1 = ChkBuilder.CreateBitCast(B.Start, PtrArithTy1, "bc");
1953     Value *End0 =   ChkBuilder.CreateBitCast(A.End,   PtrArithTy1, "bc");
1954     Value *End1 =   ChkBuilder.CreateBitCast(B.End,   PtrArithTy0, "bc");
1955
1956     // [A|B].Start points to the first accessed byte under base [A|B].
1957     // [A|B].End points to the last accessed byte, plus one.
1958     // There is no conflict when the intervals are disjoint:
1959     // NoConflict = (B.Start >= A.End) || (A.Start >= B.End)
1960     //
1961     // bound0 = (B.Start < A.End)
1962     // bound1 = (A.Start < B.End)
1963     //  IsConflict = bound0 & bound1
1964     Value *Cmp0 = ChkBuilder.CreateICmpULT(Start0, End1, "bound0");
1965     FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Cmp0, Loc);
1966     Value *Cmp1 = ChkBuilder.CreateICmpULT(Start1, End0, "bound1");
1967     FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Cmp1, Loc);
1968     Value *IsConflict = ChkBuilder.CreateAnd(Cmp0, Cmp1, "found.conflict");
1969     FirstInst = getFirstInst(FirstInst, IsConflict, Loc);
1970     if (MemoryRuntimeCheck) {
1971       IsConflict =
1972           ChkBuilder.CreateOr(MemoryRuntimeCheck, IsConflict, "conflict.rdx");
1973       FirstInst = getFirstInst(FirstInst, IsConflict, Loc);
1974     }
1975     MemoryRuntimeCheck = IsConflict;
1976   }
1977
1978   if (!MemoryRuntimeCheck)
1979     return std::make_pair(nullptr, nullptr);
1980
1981   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
1982   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
1983   // the block.
1984   Instruction *Check = BinaryOperator::CreateAnd(MemoryRuntimeCheck,
1985                                                  ConstantInt::getTrue(Ctx));
1986   ChkBuilder.Insert(Check, "memcheck.conflict");
1987   FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Check, Loc);
1988   return std::make_pair(FirstInst, Check);
1989 }
1990
1991 std::pair<Instruction *, Instruction *>
1992 LoopAccessInfo::addRuntimeChecks(Instruction *Loc) const {
1993   if (!PtrRtChecking->Need)
1994     return std::make_pair(nullptr, nullptr);
1995
1996   return addRuntimeChecks(Loc, PtrRtChecking->getChecks());
1997 }
1998
1999 void LoopAccessInfo::collectStridedAccess(Value *MemAccess) {
2000   Value *Ptr = nullptr;
2001   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(MemAccess))
2002     Ptr = LI->getPointerOperand();
2003   else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(MemAccess))
2004     Ptr = SI->getPointerOperand();
2005   else
2006     return;
2007
2008   Value *Stride = getStrideFromPointer(Ptr, PSE->getSE(), TheLoop);
2009   if (!Stride)
2010     return;
2011
2012   DEBUG(dbgs() << "LAA: Found a strided access that we can version");
2013   DEBUG(dbgs() << "  Ptr: " << *Ptr << " Stride: " << *Stride << "\n");
2014   SymbolicStrides[Ptr] = Stride;
2015   StrideSet.insert(Stride);
2016 }
2017
2018 LoopAccessInfo::LoopAccessInfo(Loop *L, ScalarEvolution *SE,
2019                                const TargetLibraryInfo *TLI, AliasAnalysis *AA,
2020                                DominatorTree *DT, LoopInfo *LI)
2021     : PSE(llvm::make_unique<PredicatedScalarEvolution>(*SE, *L)),
2022       PtrRtChecking(llvm::make_unique<RuntimePointerChecking>(SE)),
2023       DepChecker(llvm::make_unique<MemoryDepChecker>(*PSE, L)), TheLoop(L),
2024       NumLoads(0), NumStores(0), MaxSafeDepDistBytes(-1), CanVecMem(false),
2025       StoreToLoopInvariantAddress(false) {
2026   if (canAnalyzeLoop())
2027     analyzeLoop(AA, LI, TLI, DT);
2028 }
2029
2030 void LoopAccessInfo::print(raw_ostream &OS, unsigned Depth) const {
2031   if (CanVecMem) {
2032     OS.indent(Depth) << "Memory dependences are safe";
2033     if (MaxSafeDepDistBytes != -1ULL)
2034       OS << " with a maximum dependence distance of " << MaxSafeDepDistBytes
2035          << " bytes";
2036     if (PtrRtChecking->Need)
2037       OS << " with run-time checks";
2038     OS << "\n";
2039   }
2040
2041   if (Report)
2042     OS.indent(Depth) << "Report: " << Report->getMsg() << "\n";
2043
2044   if (auto *Dependences = DepChecker->getDependences()) {
2045     OS.indent(Depth) << "Dependences:\n";
2046     for (auto &Dep : *Dependences) {
2047       Dep.print(OS, Depth + 2, DepChecker->getMemoryInstructions());
2048       OS << "\n";
2049     }
2050   } else
2051     OS.indent(Depth) << "Too many dependences, not recorded\n";
2052
2053   // List the pair of accesses need run-time checks to prove independence.
2054   PtrRtChecking->print(OS, Depth);
2055   OS << "\n";
2056
2057   OS.indent(Depth) << "Store to invariant address was "
2058                    << (StoreToLoopInvariantAddress ? "" : "not ")
2059                    << "found in loop.\n";
2060
2061   OS.indent(Depth) << "SCEV assumptions:\n";
2062   PSE->getUnionPredicate().print(OS, Depth);
2063
2064   OS << "\n";
2065
2066   OS.indent(Depth) << "Expressions re-written:\n";
2067   PSE->print(OS, Depth);
2068 }
2069
2070 const LoopAccessInfo &LoopAccessLegacyAnalysis::getInfo(Loop *L) {
2071   auto &LAI = LoopAccessInfoMap[L];
2072
2073   if (!LAI)
2074     LAI = llvm::make_unique<LoopAccessInfo>(L, SE, TLI, AA, DT, LI);
2075
2076   return *LAI.get();
2077 }
2078
2079 void LoopAccessLegacyAnalysis::print(raw_ostream &OS, const Module *M) const {
2080   LoopAccessLegacyAnalysis &LAA = *const_cast<LoopAccessLegacyAnalysis *>(this);
2081
2082   for (Loop *TopLevelLoop : *LI)
2083     for (Loop *L : depth_first(TopLevelLoop)) {
2084       OS.indent(2) << L->getHeader()->getName() << ":\n";
2085       auto &LAI = LAA.getInfo(L);
2086       LAI.print(OS, 4);
2087     }
2088 }
2089
2090 bool LoopAccessLegacyAnalysis::runOnFunction(Function &F) {
2091   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
2092   auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
2093   TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
2094   AA = &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults();
2095   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
2096   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
2097
2098   return false;
2099 }
2100
2101 void LoopAccessLegacyAnalysis::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2102     AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
2103     AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
2104     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
2105     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
2106
2107     AU.setPreservesAll();
2108 }
2109
2110 char LoopAccessLegacyAnalysis::ID = 0;
2111 static const char laa_name[] = "Loop Access Analysis";
2112 #define LAA_NAME "loop-accesses"
2113
2114 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopAccessLegacyAnalysis, LAA_NAME, laa_name, false, true)
2115 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AAResultsWrapperPass)
2116 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
2117 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
2118 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
2119 INITIALIZE_PASS_END(LoopAccessLegacyAnalysis, LAA_NAME, laa_name, false, true)
2120
2121 AnalysisKey LoopAccessAnalysis::Key;
2122
2123 LoopAccessInfo LoopAccessAnalysis::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM) {
2124   const FunctionAnalysisManager &FAM =
2125       AM.getResult<FunctionAnalysisManagerLoopProxy>(L).getManager();
2126   Function &F = *L.getHeader()->getParent();
2127   auto *SE = FAM.getCachedResult<ScalarEvolutionAnalysis>(F);
2128   auto *TLI = FAM.getCachedResult<TargetLibraryAnalysis>(F);
2129   auto *AA = FAM.getCachedResult<AAManager>(F);
2130   auto *DT = FAM.getCachedResult<DominatorTreeAnalysis>(F);
2131   auto *LI = FAM.getCachedResult<LoopAnalysis>(F);
2132   if (!SE)
2133     report_fatal_error(
2134         "ScalarEvolution must have been cached at a higher level");
2135   if (!AA)
2136     report_fatal_error("AliasAnalysis must have been cached at a higher level");
2137   if (!DT)
2138     report_fatal_error("DominatorTree must have been cached at a higher level");
2139   if (!LI)
2140     report_fatal_error("LoopInfo must have been cached at a higher level");
2141   return LoopAccessInfo(&L, SE, TLI, AA, DT, LI);
2142 }
2143
2144 PreservedAnalyses LoopAccessInfoPrinterPass::run(Loop &L,
2145                                                  LoopAnalysisManager &AM) {
2146   Function &F = *L.getHeader()->getParent();
2147   auto &LAI = AM.getResult<LoopAccessAnalysis>(L);
2148   OS << "Loop access info in function '" << F.getName() << "':\n";
2149   OS.indent(2) << L.getHeader()->getName() << ":\n";
2150   LAI.print(OS, 4);
2151   return PreservedAnalyses::all();
2152 }
2153
2154 namespace llvm {
2155
2156   Pass *createLAAPass() {
2157     return new LoopAccessLegacyAnalysis();
2158   }
2159
2160 } // end namespace llvm