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fd15a9014def5994b9dc894c922dc16f8e16a30a
[android-x86/external-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopRerollPass.cpp
1 //===-- LoopReroll.cpp - Loop rerolling 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 // This pass implements a simple loop reroller.
11 //
12 //===----------------------------------------------------------------------===//
13
14 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
15 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
16 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
17 #include "llvm/ADT/BitVector.h"
18 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
19 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
20 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
21 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
22 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
23 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
24 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
25 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
26 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
27 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
28 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
29 #include "llvm/IR/Dominators.h"
30 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
31 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
32 #include "llvm/Support/Debug.h"
33 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
34 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
35 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
36 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
37
38 using namespace llvm;
39
40 #define DEBUG_TYPE "loop-reroll"
41
42 STATISTIC(NumRerolledLoops, "Number of rerolled loops");
43
44 static cl::opt<unsigned>
45 MaxInc("max-reroll-increment", cl::init(2048), cl::Hidden,
46   cl::desc("The maximum increment for loop rerolling"));
47
48 static cl::opt<unsigned>
49 NumToleratedFailedMatches("reroll-num-tolerated-failed-matches", cl::init(400),
50                           cl::Hidden,
51                           cl::desc("The maximum number of failures to tolerate"
52                                    " during fuzzy matching. (default: 400)"));
53
54 // This loop re-rolling transformation aims to transform loops like this:
55 //
56 // int foo(int a);
57 // void bar(int *x) {
58 //   for (int i = 0; i < 500; i += 3) {
59 //     foo(i);
60 //     foo(i+1);
61 //     foo(i+2);
62 //   }
63 // }
64 //
65 // into a loop like this:
66 //
67 // void bar(int *x) {
68 //   for (int i = 0; i < 500; ++i)
69 //     foo(i);
70 // }
71 //
72 // It does this by looking for loops that, besides the latch code, are composed
73 // of isomorphic DAGs of instructions, with each DAG rooted at some increment
74 // to the induction variable, and where each DAG is isomorphic to the DAG
75 // rooted at the induction variable (excepting the sub-DAGs which root the
76 // other induction-variable increments). In other words, we're looking for loop
77 // bodies of the form:
78 //
79 // %iv = phi [ (preheader, ...), (body, %iv.next) ]
80 // f(%iv)
81 // %iv.1 = add %iv, 1                <-- a root increment
82 // f(%iv.1)
83 // %iv.2 = add %iv, 2                <-- a root increment
84 // f(%iv.2)
85 // %iv.scale_m_1 = add %iv, scale-1  <-- a root increment
86 // f(%iv.scale_m_1)
87 // ...
88 // %iv.next = add %iv, scale
89 // %cmp = icmp(%iv, ...)
90 // br %cmp, header, exit
91 //
92 // where each f(i) is a set of instructions that, collectively, are a function
93 // only of i (and other loop-invariant values).
94 //
95 // As a special case, we can also reroll loops like this:
96 //
97 // int foo(int);
98 // void bar(int *x) {
99 //   for (int i = 0; i < 500; ++i) {
100 //     x[3*i] = foo(0);
101 //     x[3*i+1] = foo(0);
102 //     x[3*i+2] = foo(0);
103 //   }
104 // }
105 //
106 // into this:
107 //
108 // void bar(int *x) {
109 //   for (int i = 0; i < 1500; ++i)
110 //     x[i] = foo(0);
111 // }
112 //
113 // in which case, we're looking for inputs like this:
114 //
115 // %iv = phi [ (preheader, ...), (body, %iv.next) ]
116 // %scaled.iv = mul %iv, scale
117 // f(%scaled.iv)
118 // %scaled.iv.1 = add %scaled.iv, 1
119 // f(%scaled.iv.1)
120 // %scaled.iv.2 = add %scaled.iv, 2
121 // f(%scaled.iv.2)
122 // %scaled.iv.scale_m_1 = add %scaled.iv, scale-1
123 // f(%scaled.iv.scale_m_1)
124 // ...
125 // %iv.next = add %iv, 1
126 // %cmp = icmp(%iv, ...)
127 // br %cmp, header, exit
128
129 namespace {
130   enum IterationLimits {
131     /// The maximum number of iterations that we'll try and reroll.
132     IL_MaxRerollIterations = 32,
133     /// The bitvector index used by loop induction variables and other
134     /// instructions that belong to all iterations.
135     IL_All,
136     IL_End
137   };
138
139   class LoopReroll : public LoopPass {
140   public:
141     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
142     LoopReroll() : LoopPass(ID) {
143       initializeLoopRerollPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
144     }
145
146     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
147
148     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
149       AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
150       getLoopAnalysisUsage(AU);
151     }
152
153   protected:
154     AliasAnalysis *AA;
155     LoopInfo *LI;
156     ScalarEvolution *SE;
157     TargetLibraryInfo *TLI;
158     DominatorTree *DT;
159     bool PreserveLCSSA;
160
161     typedef SmallVector<Instruction *, 16> SmallInstructionVector;
162     typedef SmallSet<Instruction *, 16>   SmallInstructionSet;
163
164     // Map between induction variable and its increment
165     DenseMap<Instruction *, int64_t> IVToIncMap;
166     // For loop with multiple induction variable, remember the one used only to
167     // control the loop.
168     Instruction *LoopControlIV;
169
170     // A chain of isomorphic instructions, identified by a single-use PHI
171     // representing a reduction. Only the last value may be used outside the
172     // loop.
173     struct SimpleLoopReduction {
174       SimpleLoopReduction(Instruction *P, Loop *L)
175         : Valid(false), Instructions(1, P) {
176         assert(isa<PHINode>(P) && "First reduction instruction must be a PHI");
177         add(L);
178       }
179
180       bool valid() const {
181         return Valid;
182       }
183
184       Instruction *getPHI() const {
185         assert(Valid && "Using invalid reduction");
186         return Instructions.front();
187       }
188
189       Instruction *getReducedValue() const {
190         assert(Valid && "Using invalid reduction");
191         return Instructions.back();
192       }
193
194       Instruction *get(size_t i) const {
195         assert(Valid && "Using invalid reduction");
196         return Instructions[i+1];
197       }
198
199       Instruction *operator [] (size_t i) const { return get(i); }
200
201       // The size, ignoring the initial PHI.
202       size_t size() const {
203         assert(Valid && "Using invalid reduction");
204         return Instructions.size()-1;
205       }
206
207       typedef SmallInstructionVector::iterator iterator;
208       typedef SmallInstructionVector::const_iterator const_iterator;
209
210       iterator begin() {
211         assert(Valid && "Using invalid reduction");
212         return std::next(Instructions.begin());
213       }
214
215       const_iterator begin() const {
216         assert(Valid && "Using invalid reduction");
217         return std::next(Instructions.begin());
218       }
219
220       iterator end() { return Instructions.end(); }
221       const_iterator end() const { return Instructions.end(); }
222
223     protected:
224       bool Valid;
225       SmallInstructionVector Instructions;
226
227       void add(Loop *L);
228     };
229
230     // The set of all reductions, and state tracking of possible reductions
231     // during loop instruction processing.
232     struct ReductionTracker {
233       typedef SmallVector<SimpleLoopReduction, 16> SmallReductionVector;
234
235       // Add a new possible reduction.
236       void addSLR(SimpleLoopReduction &SLR) { PossibleReds.push_back(SLR); }
237
238       // Setup to track possible reductions corresponding to the provided
239       // rerolling scale. Only reductions with a number of non-PHI instructions
240       // that is divisible by the scale are considered. Three instructions sets
241       // are filled in:
242       //   - A set of all possible instructions in eligible reductions.
243       //   - A set of all PHIs in eligible reductions
244       //   - A set of all reduced values (last instructions) in eligible
245       //     reductions.
246       void restrictToScale(uint64_t Scale,
247                            SmallInstructionSet &PossibleRedSet,
248                            SmallInstructionSet &PossibleRedPHISet,
249                            SmallInstructionSet &PossibleRedLastSet) {
250         PossibleRedIdx.clear();
251         PossibleRedIter.clear();
252         Reds.clear();
253
254         for (unsigned i = 0, e = PossibleReds.size(); i != e; ++i)
255           if (PossibleReds[i].size() % Scale == 0) {
256             PossibleRedLastSet.insert(PossibleReds[i].getReducedValue());
257             PossibleRedPHISet.insert(PossibleReds[i].getPHI());
258
259             PossibleRedSet.insert(PossibleReds[i].getPHI());
260             PossibleRedIdx[PossibleReds[i].getPHI()] = i;
261             for (Instruction *J : PossibleReds[i]) {
262               PossibleRedSet.insert(J);
263               PossibleRedIdx[J] = i;
264             }
265           }
266       }
267
268       // The functions below are used while processing the loop instructions.
269
270       // Are the two instructions both from reductions, and furthermore, from
271       // the same reduction?
272       bool isPairInSame(Instruction *J1, Instruction *J2) {
273         DenseMap<Instruction *, int>::iterator J1I = PossibleRedIdx.find(J1);
274         if (J1I != PossibleRedIdx.end()) {
275           DenseMap<Instruction *, int>::iterator J2I = PossibleRedIdx.find(J2);
276           if (J2I != PossibleRedIdx.end() && J1I->second == J2I->second)
277             return true;
278         }
279
280         return false;
281       }
282
283       // The two provided instructions, the first from the base iteration, and
284       // the second from iteration i, form a matched pair. If these are part of
285       // a reduction, record that fact.
286       void recordPair(Instruction *J1, Instruction *J2, unsigned i) {
287         if (PossibleRedIdx.count(J1)) {
288           assert(PossibleRedIdx.count(J2) &&
289                  "Recording reduction vs. non-reduction instruction?");
290
291           PossibleRedIter[J1] = 0;
292           PossibleRedIter[J2] = i;
293
294           int Idx = PossibleRedIdx[J1];
295           assert(Idx == PossibleRedIdx[J2] &&
296                  "Recording pair from different reductions?");
297           Reds.insert(Idx);
298         }
299       }
300
301       // The functions below can be called after we've finished processing all
302       // instructions in the loop, and we know which reductions were selected.
303
304       bool validateSelected();
305       void replaceSelected();
306
307     protected:
308       // The vector of all possible reductions (for any scale).
309       SmallReductionVector PossibleReds;
310
311       DenseMap<Instruction *, int> PossibleRedIdx;
312       DenseMap<Instruction *, int> PossibleRedIter;
313       DenseSet<int> Reds;
314     };
315
316     // A DAGRootSet models an induction variable being used in a rerollable
317     // loop. For example,
318     //
319     //   x[i*3+0] = y1
320     //   x[i*3+1] = y2
321     //   x[i*3+2] = y3
322     //
323     //   Base instruction -> i*3
324     //                    +---+----+
325     //                   /    |     \
326     //               ST[y1]  +1     +2  <-- Roots
327     //                        |      |
328     //                      ST[y2] ST[y3]
329     //
330     // There may be multiple DAGRoots, for example:
331     //
332     //   x[i*2+0] = ...   (1)
333     //   x[i*2+1] = ...   (1)
334     //   x[i*2+4] = ...   (2)
335     //   x[i*2+5] = ...   (2)
336     //   x[(i+1234)*2+5678] = ... (3)
337     //   x[(i+1234)*2+5679] = ... (3)
338     //
339     // The loop will be rerolled by adding a new loop induction variable,
340     // one for the Base instruction in each DAGRootSet.
341     //
342     struct DAGRootSet {
343       Instruction *BaseInst;
344       SmallInstructionVector Roots;
345       // The instructions between IV and BaseInst (but not including BaseInst).
346       SmallInstructionSet SubsumedInsts;
347     };
348
349     // The set of all DAG roots, and state tracking of all roots
350     // for a particular induction variable.
351     struct DAGRootTracker {
352       DAGRootTracker(LoopReroll *Parent, Loop *L, Instruction *IV,
353                      ScalarEvolution *SE, AliasAnalysis *AA,
354                      TargetLibraryInfo *TLI, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
355                      bool PreserveLCSSA,
356                      DenseMap<Instruction *, int64_t> &IncrMap,
357                      Instruction *LoopCtrlIV)
358           : Parent(Parent), L(L), SE(SE), AA(AA), TLI(TLI), DT(DT), LI(LI),
359             PreserveLCSSA(PreserveLCSSA), IV(IV), IVToIncMap(IncrMap),
360             LoopControlIV(LoopCtrlIV) {}
361
362       /// Stage 1: Find all the DAG roots for the induction variable.
363       bool findRoots();
364       /// Stage 2: Validate if the found roots are valid.
365       bool validate(ReductionTracker &Reductions);
366       /// Stage 3: Assuming validate() returned true, perform the
367       /// replacement.
368       /// @param IterCount The maximum iteration count of L.
369       void replace(const SCEV *IterCount);
370
371     protected:
372       typedef MapVector<Instruction*, BitVector> UsesTy;
373
374       void findRootsRecursive(Instruction *IVU,
375                               SmallInstructionSet SubsumedInsts);
376       bool findRootsBase(Instruction *IVU, SmallInstructionSet SubsumedInsts);
377       bool collectPossibleRoots(Instruction *Base,
378                                 std::map<int64_t,Instruction*> &Roots);
379       bool validateRootSet(DAGRootSet &DRS);
380
381       bool collectUsedInstructions(SmallInstructionSet &PossibleRedSet);
382       void collectInLoopUserSet(const SmallInstructionVector &Roots,
383                                 const SmallInstructionSet &Exclude,
384                                 const SmallInstructionSet &Final,
385                                 DenseSet<Instruction *> &Users);
386       void collectInLoopUserSet(Instruction *Root,
387                                 const SmallInstructionSet &Exclude,
388                                 const SmallInstructionSet &Final,
389                                 DenseSet<Instruction *> &Users);
390
391       UsesTy::iterator nextInstr(int Val, UsesTy &In,
392                                  const SmallInstructionSet &Exclude,
393                                  UsesTy::iterator *StartI=nullptr);
394       bool isBaseInst(Instruction *I);
395       bool isRootInst(Instruction *I);
396       bool instrDependsOn(Instruction *I,
397                           UsesTy::iterator Start,
398                           UsesTy::iterator End);
399       void replaceIV(Instruction *Inst, Instruction *IV, const SCEV *IterCount);
400       void updateNonLoopCtrlIncr();
401
402       LoopReroll *Parent;
403
404       // Members of Parent, replicated here for brevity.
405       Loop *L;
406       ScalarEvolution *SE;
407       AliasAnalysis *AA;
408       TargetLibraryInfo *TLI;
409       DominatorTree *DT;
410       LoopInfo *LI;
411       bool PreserveLCSSA;
412
413       // The loop induction variable.
414       Instruction *IV;
415       // Loop step amount.
416       int64_t Inc;
417       // Loop reroll count; if Inc == 1, this records the scaling applied
418       // to the indvar: a[i*2+0] = ...; a[i*2+1] = ... ;
419       // If Inc is not 1, Scale = Inc.
420       uint64_t Scale;
421       // The roots themselves.
422       SmallVector<DAGRootSet,16> RootSets;
423       // All increment instructions for IV.
424       SmallInstructionVector LoopIncs;
425       // Map of all instructions in the loop (in order) to the iterations
426       // they are used in (or specially, IL_All for instructions
427       // used in the loop increment mechanism).
428       UsesTy Uses;
429       // Map between induction variable and its increment
430       DenseMap<Instruction *, int64_t> &IVToIncMap;
431       Instruction *LoopControlIV;
432     };
433
434     // Check if it is a compare-like instruction whose user is a branch
435     bool isCompareUsedByBranch(Instruction *I) {
436       auto *TI = I->getParent()->getTerminator();
437       if (!isa<BranchInst>(TI) || !isa<CmpInst>(I))
438         return false;
439       return I->hasOneUse() && TI->getOperand(0) == I;
440     };
441
442     bool isLoopControlIV(Loop *L, Instruction *IV);
443     void collectPossibleIVs(Loop *L, SmallInstructionVector &PossibleIVs);
444     void collectPossibleReductions(Loop *L,
445            ReductionTracker &Reductions);
446     bool reroll(Instruction *IV, Loop *L, BasicBlock *Header, const SCEV *IterCount,
447                 ReductionTracker &Reductions);
448   };
449 }
450
451 char LoopReroll::ID = 0;
452 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopReroll, "loop-reroll", "Reroll loops", false, false)
453 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
454 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
455 INITIALIZE_PASS_END(LoopReroll, "loop-reroll", "Reroll loops", false, false)
456
457 Pass *llvm::createLoopRerollPass() {
458   return new LoopReroll;
459 }
460
461 // Returns true if the provided instruction is used outside the given loop.
462 // This operates like Instruction::isUsedOutsideOfBlock, but considers PHIs in
463 // non-loop blocks to be outside the loop.
464 static bool hasUsesOutsideLoop(Instruction *I, Loop *L) {
465   for (User *U : I->users()) {
466     if (!L->contains(cast<Instruction>(U)))
467       return true;
468   }
469   return false;
470 }
471
472 static const SCEVConstant *getIncrmentFactorSCEV(ScalarEvolution *SE,
473                                                  const SCEV *SCEVExpr,
474                                                  Instruction &IV) {
475   const SCEVMulExpr *MulSCEV = dyn_cast<SCEVMulExpr>(SCEVExpr);
476
477   // If StepRecurrence of a SCEVExpr is a constant (c1 * c2, c2 = sizeof(ptr)),
478   // Return c1.
479   if (!MulSCEV && IV.getType()->isPointerTy())
480     if (const SCEVConstant *IncSCEV = dyn_cast<SCEVConstant>(SCEVExpr)) {
481       const PointerType *PTy = cast<PointerType>(IV.getType());
482       Type *ElTy = PTy->getElementType();
483       const SCEV *SizeOfExpr =
484           SE->getSizeOfExpr(SE->getEffectiveSCEVType(IV.getType()), ElTy);
485       if (IncSCEV->getValue()->getValue().isNegative()) {
486         const SCEV *NewSCEV =
487             SE->getUDivExpr(SE->getNegativeSCEV(SCEVExpr), SizeOfExpr);
488         return dyn_cast<SCEVConstant>(SE->getNegativeSCEV(NewSCEV));
489       } else {
490         return dyn_cast<SCEVConstant>(SE->getUDivExpr(SCEVExpr, SizeOfExpr));
491       }
492     }
493
494   if (!MulSCEV)
495     return nullptr;
496
497   // If StepRecurrence of a SCEVExpr is a c * sizeof(x), where c is constant,
498   // Return c.
499   const SCEVConstant *CIncSCEV = nullptr;
500   for (const SCEV *Operand : MulSCEV->operands()) {
501     if (const SCEVConstant *Constant = dyn_cast<SCEVConstant>(Operand)) {
502       CIncSCEV = Constant;
503     } else if (const SCEVUnknown *Unknown = dyn_cast<SCEVUnknown>(Operand)) {
504       Type *AllocTy;
505       if (!Unknown->isSizeOf(AllocTy))
506         break;
507     } else {
508       return nullptr;
509     }
510   }
511   return CIncSCEV;
512 }
513
514 // Check if an IV is only used to control the loop. There are two cases:
515 // 1. It only has one use which is loop increment, and the increment is only
516 // used by comparison and the PHI (could has sext with nsw in between), and the
517 // comparison is only used by branch.
518 // 2. It is used by loop increment and the comparison, the loop increment is
519 // only used by the PHI, and the comparison is used only by the branch.
520 bool LoopReroll::isLoopControlIV(Loop *L, Instruction *IV) {
521   unsigned IVUses = IV->getNumUses();
522   if (IVUses != 2 && IVUses != 1)
523     return false;
524
525   for (auto *User : IV->users()) {
526     int32_t IncOrCmpUses = User->getNumUses();
527     bool IsCompInst = isCompareUsedByBranch(cast<Instruction>(User));
528
529     // User can only have one or two uses.
530     if (IncOrCmpUses != 2 && IncOrCmpUses != 1)
531       return false;
532
533     // Case 1
534     if (IVUses == 1) {
535       // The only user must be the loop increment.
536       // The loop increment must have two uses.
537       if (IsCompInst || IncOrCmpUses != 2)
538         return false;
539     }
540
541     // Case 2
542     if (IVUses == 2 && IncOrCmpUses != 1)
543       return false;
544
545     // The users of the IV must be a binary operation or a comparison
546     if (auto *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(User)) {
547       if (BO->getOpcode() == Instruction::Add) {
548         // Loop Increment
549         // User of Loop Increment should be either PHI or CMP
550         for (auto *UU : User->users()) {
551           if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UU)) {
552             if (PN != IV)
553               return false;
554           }
555           // Must be a CMP or an ext (of a value with nsw) then CMP
556           else {
557             Instruction *UUser = dyn_cast<Instruction>(UU);
558             // Skip SExt if we are extending an nsw value
559             // TODO: Allow ZExt too
560             if (BO->hasNoSignedWrap() && UUser && UUser->hasOneUse() &&
561                 isa<SExtInst>(UUser))
562               UUser = dyn_cast<Instruction>(*(UUser->user_begin()));
563             if (!isCompareUsedByBranch(UUser))
564               return false;
565           }
566         }
567       } else
568         return false;
569       // Compare : can only have one use, and must be branch
570     } else if (!IsCompInst)
571       return false;
572   }
573   return true;
574 }
575
576 // Collect the list of loop induction variables with respect to which it might
577 // be possible to reroll the loop.
578 void LoopReroll::collectPossibleIVs(Loop *L,
579                                     SmallInstructionVector &PossibleIVs) {
580   BasicBlock *Header = L->getHeader();
581   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(),
582        IE = Header->getFirstInsertionPt(); I != IE; ++I) {
583     if (!isa<PHINode>(I))
584       continue;
585     if (!I->getType()->isIntegerTy() && !I->getType()->isPointerTy())
586       continue;
587
588     if (const SCEVAddRecExpr *PHISCEV =
589             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(&*I))) {
590       if (PHISCEV->getLoop() != L)
591         continue;
592       if (!PHISCEV->isAffine())
593         continue;
594       const SCEVConstant *IncSCEV = nullptr;
595       if (I->getType()->isPointerTy())
596         IncSCEV =
597             getIncrmentFactorSCEV(SE, PHISCEV->getStepRecurrence(*SE), *I);
598       else
599         IncSCEV = dyn_cast<SCEVConstant>(PHISCEV->getStepRecurrence(*SE));
600       if (IncSCEV) {
601         const APInt &AInt = IncSCEV->getValue()->getValue().abs();
602         if (IncSCEV->getValue()->isZero() || AInt.uge(MaxInc))
603           continue;
604         IVToIncMap[&*I] = IncSCEV->getValue()->getSExtValue();
605         DEBUG(dbgs() << "LRR: Possible IV: " << *I << " = " << *PHISCEV
606                      << "\n");
607
608         if (isLoopControlIV(L, &*I)) {
609           assert(!LoopControlIV && "Found two loop control only IV");
610           LoopControlIV = &(*I);
611           DEBUG(dbgs() << "LRR: Possible loop control only IV: " << *I << " = "
612                        << *PHISCEV << "\n");
613         } else
614           PossibleIVs.push_back(&*I);
615       }
616     }
617   }
618 }
619
620 // Add the remainder of the reduction-variable chain to the instruction vector
621 // (the initial PHINode has already been added). If successful, the object is
622 // marked as valid.
623 void LoopReroll::SimpleLoopReduction::add(Loop *L) {
624   assert(!Valid && "Cannot add to an already-valid chain");
625
626   // The reduction variable must be a chain of single-use instructions
627   // (including the PHI), except for the last value (which is used by the PHI
628   // and also outside the loop).
629   Instruction *C = Instructions.front();
630   if (C->user_empty())
631     return;
632
633   do {
634     C = cast<Instruction>(*C->user_begin());
635     if (C->hasOneUse()) {
636       if (!C->isBinaryOp())
637         return;
638
639       if (!(isa<PHINode>(Instructions.back()) ||
640             C->isSameOperationAs(Instructions.back())))
641         return;
642
643       Instructions.push_back(C);
644     }
645   } while (C->hasOneUse());
646
647   if (Instructions.size() < 2 ||
648       !C->isSameOperationAs(Instructions.back()) ||
649       C->use_empty())
650     return;
651
652   // C is now the (potential) last instruction in the reduction chain.
653   for (User *U : C->users()) {
654     // The only in-loop user can be the initial PHI.
655     if (L->contains(cast<Instruction>(U)))
656       if (cast<Instruction>(U) != Instructions.front())
657         return;
658   }
659
660   Instructions.push_back(C);
661   Valid = true;
662 }
663
664 // Collect the vector of possible reduction variables.
665 void LoopReroll::collectPossibleReductions(Loop *L,
666   ReductionTracker &Reductions) {
667   BasicBlock *Header = L->getHeader();
668   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(),
669        IE = Header->getFirstInsertionPt(); I != IE; ++I) {
670     if (!isa<PHINode>(I))
671       continue;
672     if (!I->getType()->isSingleValueType())
673       continue;
674
675     SimpleLoopReduction SLR(&*I, L);
676     if (!SLR.valid())
677       continue;
678
679     DEBUG(dbgs() << "LRR: Possible reduction: " << *I << " (with " <<
680           SLR.size() << " chained instructions)\n");
681     Reductions.addSLR(SLR);
682   }
683 }
684
685 // Collect the set of all users of the provided root instruction. This set of
686 // users contains not only the direct users of the root instruction, but also
687 // all users of those users, and so on. There are two exceptions:
688 //
689 //   1. Instructions in the set of excluded instructions are never added to the
690 //   use set (even if they are users). This is used, for example, to exclude
691 //   including root increments in the use set of the primary IV.
692 //
693 //   2. Instructions in the set of final instructions are added to the use set
694 //   if they are users, but their users are not added. This is used, for
695 //   example, to prevent a reduction update from forcing all later reduction
696 //   updates into the use set.
697 void LoopReroll::DAGRootTracker::collectInLoopUserSet(
698   Instruction *Root, const SmallInstructionSet &Exclude,
699   const SmallInstructionSet &Final,
700   DenseSet<Instruction *> &Users) {
701   SmallInstructionVector Queue(1, Root);
702   while (!Queue.empty()) {
703     Instruction *I = Queue.pop_back_val();
704     if (!Users.insert(I).second)
705       continue;
706
707     if (!Final.count(I))
708       for (Use &U : I->uses()) {
709         Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
710         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
711           // Ignore "wrap-around" uses to PHIs of this loop's header.
712           if (PN->getIncomingBlock(U) == L->getHeader())
713             continue;
714         }
715
716         if (L->contains(User) && !Exclude.count(User)) {
717           Queue.push_back(User);
718         }
719       }
720
721     // We also want to collect single-user "feeder" values.
722     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(),
723          OIE = I->op_end(); OI != OIE; ++OI) {
724       if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(*OI))
725         if (Op->hasOneUse() && L->contains(Op) && !Exclude.count(Op) &&
726             !Final.count(Op))
727           Queue.push_back(Op);
728     }
729   }
730 }
731
732 // Collect all of the users of all of the provided root instructions (combined
733 // into a single set).
734 void LoopReroll::DAGRootTracker::collectInLoopUserSet(
735   const SmallInstructionVector &Roots,
736   const SmallInstructionSet &Exclude,
737   const SmallInstructionSet &Final,
738   DenseSet<Instruction *> &Users) {
739   for (Instruction *Root : Roots)
740     collectInLoopUserSet(Root, Exclude, Final, Users);
741 }
742
743 static bool isUnorderedLoadStore(Instruction *I) {
744   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
745     return LI->isUnordered();
746   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
747     return SI->isUnordered();
748   if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(I))
749     return !MI->isVolatile();
750   return false;
751 }
752
753 /// Return true if IVU is a "simple" arithmetic operation.
754 /// This is used for narrowing the search space for DAGRoots; only arithmetic
755 /// and GEPs can be part of a DAGRoot.
756 static bool isSimpleArithmeticOp(User *IVU) {
757   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(IVU)) {
758     switch (I->getOpcode()) {
759     default: return false;
760     case Instruction::Add:
761     case Instruction::Sub:
762     case Instruction::Mul:
763     case Instruction::Shl:
764     case Instruction::AShr:
765     case Instruction::LShr:
766     case Instruction::GetElementPtr:
767     case Instruction::Trunc:
768     case Instruction::ZExt:
769     case Instruction::SExt:
770       return true;
771     }
772   }
773   return false;
774 }
775
776 static bool isLoopIncrement(User *U, Instruction *IV) {
777   BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(U);
778
779   if ((BO && BO->getOpcode() != Instruction::Add) ||
780       (!BO && !isa<GetElementPtrInst>(U)))
781     return false;
782
783   for (auto *UU : U->users()) {
784     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UU);
785     if (PN && PN == IV)
786       return true;
787   }
788   return false;
789 }
790
791 bool LoopReroll::DAGRootTracker::
792 collectPossibleRoots(Instruction *Base, std::map<int64_t,Instruction*> &Roots) {
793   SmallInstructionVector BaseUsers;
794
795   for (auto *I : Base->users()) {
796     ConstantInt *CI = nullptr;
797
798     if (isLoopIncrement(I, IV)) {
799       LoopIncs.push_back(cast<Instruction>(I));
800       continue;
801     }
802
803     // The root nodes must be either GEPs, ORs or ADDs.
804     if (auto *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(I)) {
805       if (BO->getOpcode() == Instruction::Add ||
806           BO->getOpcode() == Instruction::Or)
807         CI = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1));
808     } else if (auto *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
809       Value *LastOperand = GEP->getOperand(GEP->getNumOperands()-1);
810       CI = dyn_cast<ConstantInt>(LastOperand);
811     }
812
813     if (!CI) {
814       if (Instruction *II = dyn_cast<Instruction>(I)) {
815         BaseUsers.push_back(II);
816         continue;
817       } else {
818         DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting due to non-instruction: " << *I << "\n");
819         return false;
820       }
821     }
822
823     int64_t V = std::abs(CI->getValue().getSExtValue());
824     if (Roots.find(V) != Roots.end())
825       // No duplicates, please.
826       return false;
827
828     Roots[V] = cast<Instruction>(I);
829   }
830
831   // Make sure we have at least two roots.
832   if (Roots.empty() || (Roots.size() == 1 && BaseUsers.empty()))
833     return false;
834
835   // If we found non-loop-inc, non-root users of Base, assume they are
836   // for the zeroth root index. This is because "add %a, 0" gets optimized
837   // away.
838   if (BaseUsers.size()) {
839     if (Roots.find(0) != Roots.end()) {
840       DEBUG(dbgs() << "LRR: Multiple roots found for base - aborting!\n");
841       return false;
842     }
843     Roots[0] = Base;
844   }
845
846   // Calculate the number of users of the base, or lowest indexed, iteration.
847   unsigned NumBaseUses = BaseUsers.size();
848   if (NumBaseUses == 0)
849     NumBaseUses = Roots.begin()->second->getNumUses();
850
851   // Check that every node has the same number of users.
852   for (auto &KV : Roots) {
853     if (KV.first == 0)
854       continue;
855     if (!KV.second->hasNUses(NumBaseUses)) {
856       DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - Root and Base #users not the same: "
857             << "#Base=" << NumBaseUses << ", #Root=" <<
858             KV.second->getNumUses() << "\n");
859       return false;
860     }
861   }
862
863   return true;
864 }
865
866 void LoopReroll::DAGRootTracker::
867 findRootsRecursive(Instruction *I, SmallInstructionSet SubsumedInsts) {
868   // Does the user look like it could be part of a root set?
869   // All its users must be simple arithmetic ops.
870   if (I->hasNUsesOrMore(IL_MaxRerollIterations + 1))
871     return;
872
873   if (I != IV && findRootsBase(I, SubsumedInsts))
874     return;
875
876   SubsumedInsts.insert(I);
877
878   for (User *V : I->users()) {
879     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
880     if (is_contained(LoopIncs, I))
881       continue;
882
883     if (!isSimpleArithmeticOp(I))
884       continue;
885
886     // The recursive call makes a copy of SubsumedInsts.
887     findRootsRecursive(I, SubsumedInsts);
888   }
889 }
890
891 bool LoopReroll::DAGRootTracker::validateRootSet(DAGRootSet &DRS) {
892   if (DRS.Roots.empty())
893     return false;
894
895   // Consider a DAGRootSet with N-1 roots (so N different values including
896   //   BaseInst).
897   // Define d = Roots[0] - BaseInst, which should be the same as
898   //   Roots[I] - Roots[I-1] for all I in [1..N).
899   // Define D = BaseInst@J - BaseInst@J-1, where "@J" means the value at the
900   //   loop iteration J.
901   //
902   // Now, For the loop iterations to be consecutive:
903   //   D = d * N
904   const auto *ADR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(DRS.BaseInst));
905   if (!ADR)
906     return false;
907   unsigned N = DRS.Roots.size() + 1;
908   const SCEV *StepSCEV = SE->getMinusSCEV(SE->getSCEV(DRS.Roots[0]), ADR);
909   const SCEV *ScaleSCEV = SE->getConstant(StepSCEV->getType(), N);
910   if (ADR->getStepRecurrence(*SE) != SE->getMulExpr(StepSCEV, ScaleSCEV))
911     return false;
912
913   return true;
914 }
915
916 bool LoopReroll::DAGRootTracker::
917 findRootsBase(Instruction *IVU, SmallInstructionSet SubsumedInsts) {
918   // The base of a RootSet must be an AddRec, so it can be erased.
919   const auto *IVU_ADR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IVU));
920   if (!IVU_ADR || IVU_ADR->getLoop() != L)
921     return false;
922
923   std::map<int64_t, Instruction*> V;
924   if (!collectPossibleRoots(IVU, V))
925     return false;
926
927   // If we didn't get a root for index zero, then IVU must be
928   // subsumed.
929   if (V.find(0) == V.end())
930     SubsumedInsts.insert(IVU);
931
932   // Partition the vector into monotonically increasing indexes.
933   DAGRootSet DRS;
934   DRS.BaseInst = nullptr;
935
936   SmallVector<DAGRootSet, 16> PotentialRootSets;
937
938   for (auto &KV : V) {
939     if (!DRS.BaseInst) {
940       DRS.BaseInst = KV.second;
941       DRS.SubsumedInsts = SubsumedInsts;
942     } else if (DRS.Roots.empty()) {
943       DRS.Roots.push_back(KV.second);
944     } else if (V.find(KV.first - 1) != V.end()) {
945       DRS.Roots.push_back(KV.second);
946     } else {
947       // Linear sequence terminated.
948       if (!validateRootSet(DRS))
949         return false;
950
951       // Construct a new DAGRootSet with the next sequence.
952       PotentialRootSets.push_back(DRS);
953       DRS.BaseInst = KV.second;
954       DRS.Roots.clear();
955     }
956   }
957
958   if (!validateRootSet(DRS))
959     return false;
960
961   PotentialRootSets.push_back(DRS);
962
963   RootSets.append(PotentialRootSets.begin(), PotentialRootSets.end());
964
965   return true;
966 }
967
968 bool LoopReroll::DAGRootTracker::findRoots() {
969   Inc = IVToIncMap[IV];
970
971   assert(RootSets.empty() && "Unclean state!");
972   if (std::abs(Inc) == 1) {
973     for (auto *IVU : IV->users()) {
974       if (isLoopIncrement(IVU, IV))
975         LoopIncs.push_back(cast<Instruction>(IVU));
976     }
977     findRootsRecursive(IV, SmallInstructionSet());
978     LoopIncs.push_back(IV);
979   } else {
980     if (!findRootsBase(IV, SmallInstructionSet()))
981       return false;
982   }
983
984   // Ensure all sets have the same size.
985   if (RootSets.empty()) {
986     DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting because no root sets found!\n");
987     return false;
988   }
989   for (auto &V : RootSets) {
990     if (V.Roots.empty() || V.Roots.size() != RootSets[0].Roots.size()) {
991       DEBUG(dbgs()
992             << "LRR: Aborting because not all root sets have the same size\n");
993       return false;
994     }
995   }
996
997   Scale = RootSets[0].Roots.size() + 1;
998
999   if (Scale > IL_MaxRerollIterations) {
1000     DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - too many iterations found. "
1001           << "#Found=" << Scale << ", #Max=" << IL_MaxRerollIterations
1002           << "\n");
1003     return false;
1004   }
1005
1006   DEBUG(dbgs() << "LRR: Successfully found roots: Scale=" << Scale << "\n");
1007
1008   return true;
1009 }
1010
1011 bool LoopReroll::DAGRootTracker::collectUsedInstructions(SmallInstructionSet &PossibleRedSet) {
1012   // Populate the MapVector with all instructions in the block, in order first,
1013   // so we can iterate over the contents later in perfect order.
1014   for (auto &I : *L->getHeader()) {
1015     Uses[&I].resize(IL_End);
1016   }
1017
1018   SmallInstructionSet Exclude;
1019   for (auto &DRS : RootSets) {
1020     Exclude.insert(DRS.Roots.begin(), DRS.Roots.end());
1021     Exclude.insert(DRS.SubsumedInsts.begin(), DRS.SubsumedInsts.end());
1022     Exclude.insert(DRS.BaseInst);
1023   }
1024   Exclude.insert(LoopIncs.begin(), LoopIncs.end());
1025
1026   for (auto &DRS : RootSets) {
1027     DenseSet<Instruction*> VBase;
1028     collectInLoopUserSet(DRS.BaseInst, Exclude, PossibleRedSet, VBase);
1029     for (auto *I : VBase) {
1030       Uses[I].set(0);
1031     }
1032
1033     unsigned Idx = 1;
1034     for (auto *Root : DRS.Roots) {
1035       DenseSet<Instruction*> V;
1036       collectInLoopUserSet(Root, Exclude, PossibleRedSet, V);
1037
1038       // While we're here, check the use sets are the same size.
1039       if (V.size() != VBase.size()) {
1040         DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - use sets are different sizes\n");
1041         return false;
1042       }
1043
1044       for (auto *I : V) {
1045         Uses[I].set(Idx);
1046       }
1047       ++Idx;
1048     }
1049
1050     // Make sure our subsumed instructions are remembered too.
1051     for (auto *I : DRS.SubsumedInsts) {
1052       Uses[I].set(IL_All);
1053     }
1054   }
1055
1056   // Make sure the loop increments are also accounted for.
1057
1058   Exclude.clear();
1059   for (auto &DRS : RootSets) {
1060     Exclude.insert(DRS.Roots.begin(), DRS.Roots.end());
1061     Exclude.insert(DRS.SubsumedInsts.begin(), DRS.SubsumedInsts.end());
1062     Exclude.insert(DRS.BaseInst);
1063   }
1064
1065   DenseSet<Instruction*> V;
1066   collectInLoopUserSet(LoopIncs, Exclude, PossibleRedSet, V);
1067   for (auto *I : V) {
1068     Uses[I].set(IL_All);
1069   }
1070
1071   return true;
1072
1073 }
1074
1075 /// Get the next instruction in "In" that is a member of set Val.
1076 /// Start searching from StartI, and do not return anything in Exclude.
1077 /// If StartI is not given, start from In.begin().
1078 LoopReroll::DAGRootTracker::UsesTy::iterator
1079 LoopReroll::DAGRootTracker::nextInstr(int Val, UsesTy &In,
1080                                       const SmallInstructionSet &Exclude,
1081                                       UsesTy::iterator *StartI) {
1082   UsesTy::iterator I = StartI ? *StartI : In.begin();
1083   while (I != In.end() && (I->second.test(Val) == 0 ||
1084                            Exclude.count(I->first) != 0))
1085     ++I;
1086   return I;
1087 }
1088
1089 bool LoopReroll::DAGRootTracker::isBaseInst(Instruction *I) {
1090   for (auto &DRS : RootSets) {
1091     if (DRS.BaseInst == I)
1092       return true;
1093   }
1094   return false;
1095 }
1096
1097 bool LoopReroll::DAGRootTracker::isRootInst(Instruction *I) {
1098   for (auto &DRS : RootSets) {
1099     if (is_contained(DRS.Roots, I))
1100       return true;
1101   }
1102   return false;
1103 }
1104
1105 /// Return true if instruction I depends on any instruction between
1106 /// Start and End.
1107 bool LoopReroll::DAGRootTracker::instrDependsOn(Instruction *I,
1108                                                 UsesTy::iterator Start,
1109                                                 UsesTy::iterator End) {
1110   for (auto *U : I->users()) {
1111     for (auto It = Start; It != End; ++It)
1112       if (U == It->first)
1113         return true;
1114   }
1115   return false;
1116 }
1117
1118 static bool isIgnorableInst(const Instruction *I) {
1119   if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1120     return true;
1121   const IntrinsicInst* II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I);
1122   if (!II)
1123     return false;
1124   switch (II->getIntrinsicID()) {
1125     default:
1126       return false;
1127     case llvm::Intrinsic::annotation:
1128     case Intrinsic::ptr_annotation:
1129     case Intrinsic::var_annotation:
1130     // TODO: the following intrinsics may also be whitelisted:
1131     //   lifetime_start, lifetime_end, invariant_start, invariant_end
1132       return true;
1133   }
1134   return false;
1135 }
1136
1137 bool LoopReroll::DAGRootTracker::validate(ReductionTracker &Reductions) {
1138   // We now need to check for equivalence of the use graph of each root with
1139   // that of the primary induction variable (excluding the roots). Our goal
1140   // here is not to solve the full graph isomorphism problem, but rather to
1141   // catch common cases without a lot of work. As a result, we will assume
1142   // that the relative order of the instructions in each unrolled iteration
1143   // is the same (although we will not make an assumption about how the
1144   // different iterations are intermixed). Note that while the order must be
1145   // the same, the instructions may not be in the same basic block.
1146
1147   // An array of just the possible reductions for this scale factor. When we
1148   // collect the set of all users of some root instructions, these reduction
1149   // instructions are treated as 'final' (their uses are not considered).
1150   // This is important because we don't want the root use set to search down
1151   // the reduction chain.
1152   SmallInstructionSet PossibleRedSet;
1153   SmallInstructionSet PossibleRedLastSet;
1154   SmallInstructionSet PossibleRedPHISet;
1155   Reductions.restrictToScale(Scale, PossibleRedSet,
1156                              PossibleRedPHISet, PossibleRedLastSet);
1157
1158   // Populate "Uses" with where each instruction is used.
1159   if (!collectUsedInstructions(PossibleRedSet))
1160     return false;
1161
1162   // Make sure we mark the reduction PHIs as used in all iterations.
1163   for (auto *I : PossibleRedPHISet) {
1164     Uses[I].set(IL_All);
1165   }
1166
1167   // Make sure we mark loop-control-only PHIs as used in all iterations. See
1168   // comment above LoopReroll::isLoopControlIV for more information.
1169   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1170   if (LoopControlIV && LoopControlIV != IV) {
1171     for (auto *U : LoopControlIV->users()) {
1172       Instruction *IVUser = dyn_cast<Instruction>(U);
1173       // IVUser could be loop increment or compare
1174       Uses[IVUser].set(IL_All);
1175       for (auto *UU : IVUser->users()) {
1176         Instruction *UUser = dyn_cast<Instruction>(UU);
1177         // UUser could be compare, PHI or branch
1178         Uses[UUser].set(IL_All);
1179         // Skip SExt
1180         if (isa<SExtInst>(UUser)) {
1181           UUser = dyn_cast<Instruction>(*(UUser->user_begin()));
1182           Uses[UUser].set(IL_All);
1183         }
1184         // Is UUser a compare instruction?
1185         if (UU->hasOneUse()) {
1186           Instruction *BI = dyn_cast<BranchInst>(*UUser->user_begin());
1187           if (BI == cast<BranchInst>(Header->getTerminator()))
1188             Uses[BI].set(IL_All);
1189         }
1190       }
1191     }
1192   }
1193
1194   // Make sure all instructions in the loop are in one and only one
1195   // set.
1196   for (auto &KV : Uses) {
1197     if (KV.second.count() != 1 && !isIgnorableInst(KV.first)) {
1198       DEBUG(dbgs() << "LRR: Aborting - instruction is not used in 1 iteration: "
1199             << *KV.first << " (#uses=" << KV.second.count() << ")\n");
1200       return false;
1201     }
1202   }
1203
1204   DEBUG(
1205     for (auto &KV : Uses) {
1206       dbgs() << "LRR: " << KV.second.find_first() << "\t" << *KV.first << "\n";
1207     }
1208     );
1209
1210   for (unsigned Iter = 1; Iter < Scale; ++Iter) {
1211     // In addition to regular aliasing information, we need to look for
1212     // instructions from later (future) iterations that have side effects
1213     // preventing us from reordering them past other instructions with side
1214     // effects.
1215     bool FutureSideEffects = false;
1216     AliasSetTracker AST(*AA);
1217     // The map between instructions in f(%iv.(i+1)) and f(%iv).
1218     DenseMap<Value *, Value *> BaseMap;
1219
1220     // Compare iteration Iter to the base.
1221     SmallInstructionSet Visited;
1222     auto BaseIt = nextInstr(0, Uses, Visited);
1223     auto RootIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited);
1224     auto LastRootIt = Uses.begin();
1225
1226     while (BaseIt != Uses.end() && RootIt != Uses.end()) {
1227       Instruction *BaseInst = BaseIt->first;
1228       Instruction *RootInst = RootIt->first;
1229
1230       // Skip over the IV or root instructions; only match their users.
1231       bool Continue = false;
1232       if (isBaseInst(BaseInst)) {
1233         Visited.insert(BaseInst);
1234         BaseIt = nextInstr(0, Uses, Visited);
1235         Continue = true;
1236       }
1237       if (isRootInst(RootInst)) {
1238         LastRootIt = RootIt;
1239         Visited.insert(RootInst);
1240         RootIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited);
1241         Continue = true;
1242       }
1243       if (Continue) continue;
1244
1245       if (!BaseInst->isSameOperationAs(RootInst)) {
1246         // Last chance saloon. We don't try and solve the full isomorphism
1247         // problem, but try and at least catch the case where two instructions
1248         // *of different types* are round the wrong way. We won't be able to
1249         // efficiently tell, given two ADD instructions, which way around we
1250         // should match them, but given an ADD and a SUB, we can at least infer
1251         // which one is which.
1252         //
1253         // This should allow us to deal with a greater subset of the isomorphism
1254         // problem. It does however change a linear algorithm into a quadratic
1255         // one, so limit the number of probes we do.
1256         auto TryIt = RootIt;
1257         unsigned N = NumToleratedFailedMatches;
1258         while (TryIt != Uses.end() &&
1259                !BaseInst->isSameOperationAs(TryIt->first) &&
1260                N--) {
1261           ++TryIt;
1262           TryIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited, &TryIt);
1263         }
1264
1265         if (TryIt == Uses.end() || TryIt == RootIt ||
1266             instrDependsOn(TryIt->first, RootIt, TryIt)) {
1267           DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1268                 " vs. " << *RootInst << "\n");
1269           return false;
1270         }
1271
1272         RootIt = TryIt;
1273         RootInst = TryIt->first;
1274       }
1275
1276       // All instructions between the last root and this root
1277       // may belong to some other iteration. If they belong to a
1278       // future iteration, then they're dangerous to alias with.
1279       //
1280       // Note that because we allow a limited amount of flexibility in the order
1281       // that we visit nodes, LastRootIt might be *before* RootIt, in which
1282       // case we've already checked this set of instructions so we shouldn't
1283       // do anything.
1284       for (; LastRootIt < RootIt; ++LastRootIt) {
1285         Instruction *I = LastRootIt->first;
1286         if (LastRootIt->second.find_first() < (int)Iter)
1287           continue;
1288         if (I->mayWriteToMemory())
1289           AST.add(I);
1290         // Note: This is specifically guarded by a check on isa<PHINode>,
1291         // which while a valid (somewhat arbitrary) micro-optimization, is
1292         // needed because otherwise isSafeToSpeculativelyExecute returns
1293         // false on PHI nodes.
1294         if (!isa<PHINode>(I) && !isUnorderedLoadStore(I) &&
1295             !isSafeToSpeculativelyExecute(I))
1296           // Intervening instructions cause side effects.
1297           FutureSideEffects = true;
1298       }
1299
1300       // Make sure that this instruction, which is in the use set of this
1301       // root instruction, does not also belong to the base set or the set of
1302       // some other root instruction.
1303       if (RootIt->second.count() > 1) {
1304         DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1305                         " vs. " << *RootInst << " (prev. case overlap)\n");
1306         return false;
1307       }
1308
1309       // Make sure that we don't alias with any instruction in the alias set
1310       // tracker. If we do, then we depend on a future iteration, and we
1311       // can't reroll.
1312       if (RootInst->mayReadFromMemory())
1313         for (auto &K : AST) {
1314           if (K.aliasesUnknownInst(RootInst, *AA)) {
1315             DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1316                             " vs. " << *RootInst << " (depends on future store)\n");
1317             return false;
1318           }
1319         }
1320
1321       // If we've past an instruction from a future iteration that may have
1322       // side effects, and this instruction might also, then we can't reorder
1323       // them, and this matching fails. As an exception, we allow the alias
1324       // set tracker to handle regular (unordered) load/store dependencies.
1325       if (FutureSideEffects && ((!isUnorderedLoadStore(BaseInst) &&
1326                                  !isSafeToSpeculativelyExecute(BaseInst)) ||
1327                                 (!isUnorderedLoadStore(RootInst) &&
1328                                  !isSafeToSpeculativelyExecute(RootInst)))) {
1329         DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1330                         " vs. " << *RootInst <<
1331                         " (side effects prevent reordering)\n");
1332         return false;
1333       }
1334
1335       // For instructions that are part of a reduction, if the operation is
1336       // associative, then don't bother matching the operands (because we
1337       // already know that the instructions are isomorphic, and the order
1338       // within the iteration does not matter). For non-associative reductions,
1339       // we do need to match the operands, because we need to reject
1340       // out-of-order instructions within an iteration!
1341       // For example (assume floating-point addition), we need to reject this:
1342       //   x += a[i]; x += b[i];
1343       //   x += a[i+1]; x += b[i+1];
1344       //   x += b[i+2]; x += a[i+2];
1345       bool InReduction = Reductions.isPairInSame(BaseInst, RootInst);
1346
1347       if (!(InReduction && BaseInst->isAssociative())) {
1348         bool Swapped = false, SomeOpMatched = false;
1349         for (unsigned j = 0; j < BaseInst->getNumOperands(); ++j) {
1350           Value *Op2 = RootInst->getOperand(j);
1351
1352           // If this is part of a reduction (and the operation is not
1353           // associatve), then we match all operands, but not those that are
1354           // part of the reduction.
1355           if (InReduction)
1356             if (Instruction *Op2I = dyn_cast<Instruction>(Op2))
1357               if (Reductions.isPairInSame(RootInst, Op2I))
1358                 continue;
1359
1360           DenseMap<Value *, Value *>::iterator BMI = BaseMap.find(Op2);
1361           if (BMI != BaseMap.end()) {
1362             Op2 = BMI->second;
1363           } else {
1364             for (auto &DRS : RootSets) {
1365               if (DRS.Roots[Iter-1] == (Instruction*) Op2) {
1366                 Op2 = DRS.BaseInst;
1367                 break;
1368               }
1369             }
1370           }
1371
1372           if (BaseInst->getOperand(Swapped ? unsigned(!j) : j) != Op2) {
1373             // If we've not already decided to swap the matched operands, and
1374             // we've not already matched our first operand (note that we could
1375             // have skipped matching the first operand because it is part of a
1376             // reduction above), and the instruction is commutative, then try
1377             // the swapped match.
1378             if (!Swapped && BaseInst->isCommutative() && !SomeOpMatched &&
1379                 BaseInst->getOperand(!j) == Op2) {
1380               Swapped = true;
1381             } else {
1382               DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst
1383                     << " vs. " << *RootInst << " (operand " << j << ")\n");
1384               return false;
1385             }
1386           }
1387
1388           SomeOpMatched = true;
1389         }
1390       }
1391
1392       if ((!PossibleRedLastSet.count(BaseInst) &&
1393            hasUsesOutsideLoop(BaseInst, L)) ||
1394           (!PossibleRedLastSet.count(RootInst) &&
1395            hasUsesOutsideLoop(RootInst, L))) {
1396         DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration root match failed at " << *BaseInst <<
1397                         " vs. " << *RootInst << " (uses outside loop)\n");
1398         return false;
1399       }
1400
1401       Reductions.recordPair(BaseInst, RootInst, Iter);
1402       BaseMap.insert(std::make_pair(RootInst, BaseInst));
1403
1404       LastRootIt = RootIt;
1405       Visited.insert(BaseInst);
1406       Visited.insert(RootInst);
1407       BaseIt = nextInstr(0, Uses, Visited);
1408       RootIt = nextInstr(Iter, Uses, Visited);
1409     }
1410     assert (BaseIt == Uses.end() && RootIt == Uses.end() &&
1411             "Mismatched set sizes!");
1412   }
1413
1414   DEBUG(dbgs() << "LRR: Matched all iteration increments for " <<
1415                   *IV << "\n");
1416
1417   return true;
1418 }
1419
1420 void LoopReroll::DAGRootTracker::replace(const SCEV *IterCount) {
1421   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1422   // Remove instructions associated with non-base iterations.
1423   for (BasicBlock::reverse_iterator J = Header->rbegin(), JE = Header->rend();
1424        J != JE;) {
1425     unsigned I = Uses[&*J].find_first();
1426     if (I > 0 && I < IL_All) {
1427       DEBUG(dbgs() << "LRR: removing: " << *J << "\n");
1428       J++->eraseFromParent();
1429       continue;
1430     }
1431
1432     ++J;
1433   }
1434
1435   bool HasTwoIVs = LoopControlIV && LoopControlIV != IV;
1436
1437   if (HasTwoIVs) {
1438     updateNonLoopCtrlIncr();
1439     replaceIV(LoopControlIV, LoopControlIV, IterCount);
1440   } else
1441     // We need to create a new induction variable for each different BaseInst.
1442     for (auto &DRS : RootSets)
1443       // Insert the new induction variable.
1444       replaceIV(DRS.BaseInst, IV, IterCount);
1445
1446   SimplifyInstructionsInBlock(Header, TLI);
1447   DeleteDeadPHIs(Header, TLI);
1448 }
1449
1450 // For non-loop-control IVs, we only need to update the last increment
1451 // with right amount, then we are done.
1452 void LoopReroll::DAGRootTracker::updateNonLoopCtrlIncr() {
1453   const SCEV *NewInc = nullptr;
1454   for (auto *LoopInc : LoopIncs) {
1455     GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LoopInc);
1456     const SCEVConstant *COp = nullptr;
1457     if (GEP && LoopInc->getOperand(0)->getType()->isPointerTy()) {
1458       COp = dyn_cast<SCEVConstant>(SE->getSCEV(LoopInc->getOperand(1)));
1459     } else {
1460       COp = dyn_cast<SCEVConstant>(SE->getSCEV(LoopInc->getOperand(0)));
1461       if (!COp)
1462         COp = dyn_cast<SCEVConstant>(SE->getSCEV(LoopInc->getOperand(1)));
1463     }
1464
1465     assert(COp && "Didn't find constant operand of LoopInc!\n");
1466
1467     const APInt &AInt = COp->getValue()->getValue();
1468     const SCEV *ScaleSCEV = SE->getConstant(COp->getType(), Scale);
1469     if (AInt.isNegative()) {
1470       NewInc = SE->getNegativeSCEV(COp);
1471       NewInc = SE->getUDivExpr(NewInc, ScaleSCEV);
1472       NewInc = SE->getNegativeSCEV(NewInc);
1473     } else
1474       NewInc = SE->getUDivExpr(COp, ScaleSCEV);
1475
1476     LoopInc->setOperand(1, dyn_cast<SCEVConstant>(NewInc)->getValue());
1477   }
1478 }
1479
1480 void LoopReroll::DAGRootTracker::replaceIV(Instruction *Inst,
1481                                            Instruction *InstIV,
1482                                            const SCEV *IterCount) {
1483   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1484   int64_t Inc = IVToIncMap[InstIV];
1485   bool NeedNewIV = InstIV == LoopControlIV;
1486   bool Negative = !NeedNewIV && Inc < 0;
1487
1488   const SCEVAddRecExpr *RealIVSCEV = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Inst));
1489   const SCEV *Start = RealIVSCEV->getStart();
1490
1491   if (NeedNewIV)
1492     Start = SE->getConstant(Start->getType(), 0);
1493
1494   const SCEV *SizeOfExpr = nullptr;
1495   const SCEV *IncrExpr =
1496       SE->getConstant(RealIVSCEV->getType(), Negative ? -1 : 1);
1497   if (auto *PTy = dyn_cast<PointerType>(Inst->getType())) {
1498     Type *ElTy = PTy->getElementType();
1499     SizeOfExpr =
1500         SE->getSizeOfExpr(SE->getEffectiveSCEVType(Inst->getType()), ElTy);
1501     IncrExpr = SE->getMulExpr(IncrExpr, SizeOfExpr);
1502   }
1503   const SCEV *NewIVSCEV =
1504       SE->getAddRecExpr(Start, IncrExpr, L, SCEV::FlagAnyWrap);
1505
1506   { // Limit the lifetime of SCEVExpander.
1507     const DataLayout &DL = Header->getModule()->getDataLayout();
1508     SCEVExpander Expander(*SE, DL, "reroll");
1509     Value *NewIV = Expander.expandCodeFor(NewIVSCEV, Inst->getType(),
1510                                           Header->getFirstNonPHIOrDbg());
1511
1512     for (auto &KV : Uses)
1513       if (KV.second.find_first() == 0)
1514         KV.first->replaceUsesOfWith(Inst, NewIV);
1515
1516     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Header->getTerminator())) {
1517       // FIXME: Why do we need this check?
1518       if (Uses[BI].find_first() == IL_All) {
1519         const SCEV *ICSCEV = RealIVSCEV->evaluateAtIteration(IterCount, *SE);
1520
1521         if (NeedNewIV)
1522           ICSCEV = SE->getMulExpr(IterCount,
1523                                   SE->getConstant(IterCount->getType(), Scale));
1524
1525         // Iteration count SCEV minus or plus 1
1526         const SCEV *MinusPlus1SCEV =
1527             SE->getConstant(ICSCEV->getType(), Negative ? -1 : 1);
1528         if (Inst->getType()->isPointerTy()) {
1529           assert(SizeOfExpr && "SizeOfExpr is not initialized");
1530           MinusPlus1SCEV = SE->getMulExpr(MinusPlus1SCEV, SizeOfExpr);
1531         }
1532
1533         const SCEV *ICMinusPlus1SCEV = SE->getMinusSCEV(ICSCEV, MinusPlus1SCEV);
1534         // Iteration count minus 1
1535         Instruction *InsertPtr = nullptr;
1536         if (isa<SCEVConstant>(ICMinusPlus1SCEV)) {
1537           InsertPtr = BI;
1538         } else {
1539           BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1540           if (!Preheader)
1541             Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, DT, LI, PreserveLCSSA);
1542           InsertPtr = Preheader->getTerminator();
1543         }
1544
1545         if (!isa<PointerType>(NewIV->getType()) && NeedNewIV &&
1546             (SE->getTypeSizeInBits(NewIV->getType()) <
1547              SE->getTypeSizeInBits(ICMinusPlus1SCEV->getType()))) {
1548           IRBuilder<> Builder(BI);
1549           Builder.SetCurrentDebugLocation(BI->getDebugLoc());
1550           NewIV = Builder.CreateSExt(NewIV, ICMinusPlus1SCEV->getType());
1551         }
1552         Value *ICMinusPlus1 = Expander.expandCodeFor(
1553             ICMinusPlus1SCEV, NewIV->getType(), InsertPtr);
1554
1555         Value *Cond =
1556             new ICmpInst(BI, CmpInst::ICMP_EQ, NewIV, ICMinusPlus1, "exitcond");
1557         BI->setCondition(Cond);
1558
1559         if (BI->getSuccessor(1) != Header)
1560           BI->swapSuccessors();
1561       }
1562     }
1563   }
1564 }
1565
1566 // Validate the selected reductions. All iterations must have an isomorphic
1567 // part of the reduction chain and, for non-associative reductions, the chain
1568 // entries must appear in order.
1569 bool LoopReroll::ReductionTracker::validateSelected() {
1570   // For a non-associative reduction, the chain entries must appear in order.
1571   for (int i : Reds) {
1572     int PrevIter = 0, BaseCount = 0, Count = 0;
1573     for (Instruction *J : PossibleReds[i]) {
1574       // Note that all instructions in the chain must have been found because
1575       // all instructions in the function must have been assigned to some
1576       // iteration.
1577       int Iter = PossibleRedIter[J];
1578       if (Iter != PrevIter && Iter != PrevIter + 1 &&
1579           !PossibleReds[i].getReducedValue()->isAssociative()) {
1580         DEBUG(dbgs() << "LRR: Out-of-order non-associative reduction: " <<
1581                         J << "\n");
1582         return false;
1583       }
1584
1585       if (Iter != PrevIter) {
1586         if (Count != BaseCount) {
1587           DEBUG(dbgs() << "LRR: Iteration " << PrevIter <<
1588                 " reduction use count " << Count <<
1589                 " is not equal to the base use count " <<
1590                 BaseCount << "\n");
1591           return false;
1592         }
1593
1594         Count = 0;
1595       }
1596
1597       ++Count;
1598       if (Iter == 0)
1599         ++BaseCount;
1600
1601       PrevIter = Iter;
1602     }
1603   }
1604
1605   return true;
1606 }
1607
1608 // For all selected reductions, remove all parts except those in the first
1609 // iteration (and the PHI). Replace outside uses of the reduced value with uses
1610 // of the first-iteration reduced value (in other words, reroll the selected
1611 // reductions).
1612 void LoopReroll::ReductionTracker::replaceSelected() {
1613   // Fixup reductions to refer to the last instruction associated with the
1614   // first iteration (not the last).
1615   for (int i : Reds) {
1616     int j = 0;
1617     for (int e = PossibleReds[i].size(); j != e; ++j)
1618       if (PossibleRedIter[PossibleReds[i][j]] != 0) {
1619         --j;
1620         break;
1621       }
1622
1623     // Replace users with the new end-of-chain value.
1624     SmallInstructionVector Users;
1625     for (User *U : PossibleReds[i].getReducedValue()->users()) {
1626       Users.push_back(cast<Instruction>(U));
1627     }
1628
1629     for (Instruction *User : Users)
1630       User->replaceUsesOfWith(PossibleReds[i].getReducedValue(),
1631                               PossibleReds[i][j]);
1632   }
1633 }
1634
1635 // Reroll the provided loop with respect to the provided induction variable.
1636 // Generally, we're looking for a loop like this:
1637 //
1638 // %iv = phi [ (preheader, ...), (body, %iv.next) ]
1639 // f(%iv)
1640 // %iv.1 = add %iv, 1                <-- a root increment
1641 // f(%iv.1)
1642 // %iv.2 = add %iv, 2                <-- a root increment
1643 // f(%iv.2)
1644 // %iv.scale_m_1 = add %iv, scale-1  <-- a root increment
1645 // f(%iv.scale_m_1)
1646 // ...
1647 // %iv.next = add %iv, scale
1648 // %cmp = icmp(%iv, ...)
1649 // br %cmp, header, exit
1650 //
1651 // Notably, we do not require that f(%iv), f(%iv.1), etc. be isolated groups of
1652 // instructions. In other words, the instructions in f(%iv), f(%iv.1), etc. can
1653 // be intermixed with eachother. The restriction imposed by this algorithm is
1654 // that the relative order of the isomorphic instructions in f(%iv), f(%iv.1),
1655 // etc. be the same.
1656 //
1657 // First, we collect the use set of %iv, excluding the other increment roots.
1658 // This gives us f(%iv). Then we iterate over the loop instructions (scale-1)
1659 // times, having collected the use set of f(%iv.(i+1)), during which we:
1660 //   - Ensure that the next unmatched instruction in f(%iv) is isomorphic to
1661 //     the next unmatched instruction in f(%iv.(i+1)).
1662 //   - Ensure that both matched instructions don't have any external users
1663 //     (with the exception of last-in-chain reduction instructions).
1664 //   - Track the (aliasing) write set, and other side effects, of all
1665 //     instructions that belong to future iterations that come before the matched
1666 //     instructions. If the matched instructions read from that write set, then
1667 //     f(%iv) or f(%iv.(i+1)) has some dependency on instructions in
1668 //     f(%iv.(j+1)) for some j > i, and we cannot reroll the loop. Similarly,
1669 //     if any of these future instructions had side effects (could not be
1670 //     speculatively executed), and so do the matched instructions, when we
1671 //     cannot reorder those side-effect-producing instructions, and rerolling
1672 //     fails.
1673 //
1674 // Finally, we make sure that all loop instructions are either loop increment
1675 // roots, belong to simple latch code, parts of validated reductions, part of
1676 // f(%iv) or part of some f(%iv.i). If all of that is true (and all reductions
1677 // have been validated), then we reroll the loop.
1678 bool LoopReroll::reroll(Instruction *IV, Loop *L, BasicBlock *Header,
1679                         const SCEV *IterCount,
1680                         ReductionTracker &Reductions) {
1681   DAGRootTracker DAGRoots(this, L, IV, SE, AA, TLI, DT, LI, PreserveLCSSA,
1682                           IVToIncMap, LoopControlIV);
1683
1684   if (!DAGRoots.findRoots())
1685     return false;
1686   DEBUG(dbgs() << "LRR: Found all root induction increments for: " <<
1687                   *IV << "\n");
1688
1689   if (!DAGRoots.validate(Reductions))
1690     return false;
1691   if (!Reductions.validateSelected())
1692     return false;
1693   // At this point, we've validated the rerolling, and we're committed to
1694   // making changes!
1695
1696   Reductions.replaceSelected();
1697   DAGRoots.replace(IterCount);
1698
1699   ++NumRerolledLoops;
1700   return true;
1701 }
1702
1703 bool LoopReroll::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1704   if (skipLoop(L))
1705     return false;
1706
1707   AA = &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults();
1708   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1709   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1710   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
1711   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1712   PreserveLCSSA = mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
1713
1714   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1715   DEBUG(dbgs() << "LRR: F[" << Header->getParent()->getName() <<
1716         "] Loop %" << Header->getName() << " (" <<
1717         L->getNumBlocks() << " block(s))\n");
1718
1719   // For now, we'll handle only single BB loops.
1720   if (L->getNumBlocks() > 1)
1721     return false;
1722
1723   if (!SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L))
1724     return false;
1725
1726   const SCEV *LIBETC = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1727   const SCEV *IterCount = SE->getAddExpr(LIBETC, SE->getOne(LIBETC->getType()));
1728   DEBUG(dbgs() << "\n Before Reroll:\n" << *(L->getHeader()) << "\n");
1729   DEBUG(dbgs() << "LRR: iteration count = " << *IterCount << "\n");
1730
1731   // First, we need to find the induction variable with respect to which we can
1732   // reroll (there may be several possible options).
1733   SmallInstructionVector PossibleIVs;
1734   IVToIncMap.clear();
1735   LoopControlIV = nullptr;
1736   collectPossibleIVs(L, PossibleIVs);
1737
1738   if (PossibleIVs.empty()) {
1739     DEBUG(dbgs() << "LRR: No possible IVs found\n");
1740     return false;
1741   }
1742
1743   ReductionTracker Reductions;
1744   collectPossibleReductions(L, Reductions);
1745   bool Changed = false;
1746
1747   // For each possible IV, collect the associated possible set of 'root' nodes
1748   // (i+1, i+2, etc.).
1749   for (Instruction *PossibleIV : PossibleIVs)
1750     if (reroll(PossibleIV, L, Header, IterCount, Reductions)) {
1751       Changed = true;
1752       break;
1753     }
1754   DEBUG(dbgs() << "\n After Reroll:\n" << *(L->getHeader()) << "\n");
1755
1756   // Trip count of L has changed so SE must be re-evaluated.
1757   if (Changed)
1758     SE->forgetLoop(L);
1759
1760   return Changed;
1761 }